導入
原理
材料科学は、私たちの周囲の物体を構成する材料 (金属、ポリマー、半導体、セラミック、複合材料など) の特性、構造形態、実装の間の関係に基づいています。
それは多くの偉大な技術革命の中心です。特に過去 1 世紀にわたって、エレクトロニクス (コンピュータ、CD および DVD プレーヤーなど)、自動車 (エンジン、車体、ヘッドライトなど)、航空学、再生可能エネルギー (ソーラー パネルなど)、ナノサイエンス、ナノテクノロジーなど。
微視的な現象（拡散、原子の配置、再結晶、相の出現など）の知識と制御により、科学者や実業家は、望ましい特性と性能を備えた材料を開発する可能性が得られます。
完璧な結晶を設計することは現時点では物理的に不可能ですが、多くの場合、材料を興味深いものにするのはその構造上の欠陥です。したがって、結晶材料の欠陥（析出物、粒界、格子間原子、空孔、転位など）を利用して、望ましい特性を持つ材料を作成します。
マテリアルの主なクラス
金属
金属は、その化学元素が金属結合を形成し、電子を失ってカチオンを形成できるという特殊性を持つ材料です (例: Fe -> Fe 2+または Fe 3+ )。それらは物理化学的および電子的に特性評価することができます (特性評価のセクションを参照)。金属はいくつかの物理的特徴によって特徴付けられます。これらは良好な導電体であり、この特性は導電率またはその逆数である抵抗率によって測定されます。また、優れた熱伝導体であり、明るい輝きを持っています。機械的な観点から見ると、それらは弾性率 (一般に高く、数 GPa 程度)、硬度、延性などの特性によって特徴付けられます。
地球上では、金属はほとんど酸化物の形でしか存在しません。ただし、この形式で使用されることはほとんどありません (マイクロエレクトロニクスの分野を除く)。当社では、精製されたもの（銅やアルミニウムの例）、または合金の形で使用することを好みます。アルミニウムは地殻中に最も豊富に存在する金属です。鉄の重要性にも注目する必要があります。鉄は炭素を添加した後、鋼または鋳鉄の形で使用されることが非常に多いです。
経済の観点から見ると、鉄鋼とアルミニウムという 2 つの非常に重要なセクターがあります。 2007 年の世界の鉄鋼生産量は 13億トンに達し、2006 年と比較して 5.4% 増加しました。この部門は現在、ミタル スチール社によって独占されています。アルミニウム部門は、リオティントやアルカンなどのいくつかの大規模グループで共有されています。 2008 年のアルミニウム生産量は 310 万トンで、2006 年と比較して 11.5% 増加しました。
ポリマー
ポリマーは、1 種類 (または複数) のモノマーの反復鎖で構成される有機(または場合によっては無機)高分子です。モノマーは共有結合によって互いに結合されます。ポリマー鎖は、ファンデルワールス結合のような弱い力で相互作用します。ポリマーの特性は、特にモノマーの種類、その集合の性質、および重合度に依存します。
天然ポリマー、変性ポリマー（人工ポリマー）、合成ポリマーを区別します。アーキテクチャに従って分類することもできます。たとえば、線状ポリマー、分岐（分岐あり）かどうか、樹枝状（三次元の分岐）、およびネットワークを形成する網状または三次元を区別します。
ポリマーはさまざまな方法で製造できます。次のものが挙げられます。
- ホモポリマー。同じモノマーから作られます。
- 異なるモノマーから作られるコポリマー。
ポリマーの別のタイプの分類も、その熱機械的特性に基づいています。私たちは以下を区別します。
- 熱可塑性ポリマーは加熱すると展性があり、実装が可能になります。
- 熱硬化性ポリマー。加熱および/または少量の硬化剤の添加により硬化します。この硬化は通常不可逆的です。
- エラストマーは、一般に非常に顕著な可逆伸びと周囲温度よりも低いガラス転移温度を持っています。
ポリマーは、熱と圧力下での挙動に応じて 2 つのタイプに分類できます。
- 十分な温度に達すると、熱可塑性ポリマーは「溶融」状態 (流体または変形可能な状態) になるため、応力の作用下で流動する可能性があります。これにより、押出、射出、熱成形などの技術を使用して成形することができます。これは、ポリオレフィン (PE、PP、 PMPなど)、PVC、ポリスチレンなどの場合に当てはまります。 ;
- 熱硬化性ポリマーは化学反応によって硬化します。フェノプラスト樹脂、ポリエポキシ樹脂、特定のポリウレタンを挙げることができます。
ポリマーはその興味深い特性により、従来の材料に取って代わり、徐々に産業や日常生活に浸透してきました。
セラミックス
これらは金属元素と非金属元素で構成されています。それらは通常、酸化物、窒化物、または炭化物です。セラミックスグループには、セメント、ガラス、粘土から作られる伝統的なセラミックスなど、幅広い材料が含まれます。
セラミックの結晶構造は、少なくとも 2 つの異なる化学元素が存在するため、金属の結晶構造よりも複雑です。金属と非金属(例: NaCl、MgO) で構成されるイオン性セラミックスと、2 つの非金属または純粋な元素 (ダイヤモンド、炭化ケイ素など) で構成される共有結合性セラミックスがあります。静電相互作用により追加の平衡制約が生じるため、粒界の構造もより複雑になります。したがって、反対の符号を持つイオンは互いに接触してはなりません。これが、セラミックが一定の気孔率 (体積の約 20%) を持つ理由です。
セラミックには多くの利点があります。
- 機械的特性: 金属と同様に、明確に定義されたヤング率を示します。つまり、荷重がかかっている間、弾性率は一定のままです (弾性が線形ではないポリマーとは異なります)。さらに、すべての材料の中で最も高い硬度を持ち、他の材料を切断（または研磨）するための研磨剤としても使用されます。
- 低い膨張係数による熱衝撃に対する耐性。
- 良好な耐薬品性。
- 耐食性。
- 熱的および電気的な絶縁。
一方で、主な弱点は、牽引時に塑性変形が起こらずに突然破損する傾向があることです (脆い性質)。空隙は、その付近に応力集中を引き起こすことで材料を「弱化」させます。セラミックは脆いため、冶金学で使用される圧延や鍛造の方法は不可能です。
テクニカルセラミックス
テクニカル セラミックスは、職人技 (陶器) や芸術的 (アート セラミックス) または磁器の作品とは対照的に、産業用途に特化したセラミックスの分野です。この産業の目的は、機械的、電気的、磁気的、光学的、圧電的、強誘電的、超伝導などの特定の物理的特性を持つセラミックスの作成と最適化です。
ほとんどの工業用セラミックは、圧縮された粉末から成形され、その後高温に加熱されます (焼結プロセス)。気孔率を減らすために、主に非常に小さな粒子サイズの粉末を使用します。
メガネ
ガラスは本質的に過冷却液体を凍結させることによって得られる固体です。ガラスの主な製造方法は、プレス、ブロー、延伸、ファイバー延伸の 4 つです。
ガラスは、その特性を変える他の酸化物 (CaO など) を含む非結晶性ケイ酸塩です。ガラスの透明性は最も重要な特性の 1 つです。これは、そのアモルファス構造と、マイクロメートルの何分の１よりも大きい欠陥がないためです。ガラスの屈折率は約1.5です。機械的特性の観点から見ると、ガラスは壊れやすい素材ですが、熱または化学処理によってこれを改善できます。
半導体
半導体の構造
バンド理論が適用され、バンド ギャップエネルギー距離 ΔE だけ伝導帯から分離された完全な価電子帯を考慮することになります。電子が価電子帯から伝導帯に移動するには、熱エネルギーまたは光エネルギーが提供されます。半導体では、ΔE は室温で少数の電子が価電子帯から伝導帯に通過できるほど十分に低いです。
電気伝導
エネルギーバンドの量子モデルを考えると、電子がエネルギー準位を占めます。これらのエネルギー準位は原子内で離散しており、結晶内の原子間の相互作用を通じて、禁制帯で区切られた許容エネルギー帯まで広がります。絶縁体では、最も低いエネルギー帯域が満たされます。バンドギャップが大きい (約 5 eV) ため、アクセス可能なエネルギー準位が存在せず、したがって伝導も起こりません。導体では、最後の帯域が部分的に占有されているため、利用可能なエネルギーレベルが十分にあり、したがって良好な伝導が得られます。半導体では、最後のバンドはほとんど占有されていないか、非常に占有されており、バンドギャップは低くなります (約 1 eV)。したがって、弱い伝導が起こります。
電子と正孔の伝導
ホールは、熱撹拌によって放出された隣接する電子によって埋められ、ホールが残るギャップです。電子（正の質量、負の電荷）は正孔（負の質量、正の電荷）に対応します。正孔と電子は真性自由キャリアを構成し、その数は温度に依存します。電気的中性を保つために、同じ数の正孔と電子を注入します。
ドープ半導体
タイプ N:不純物原子が半導体マトリックスに導入されます。その各原子は追加の価電子を提供します。この電子は原子核との結合が弱く、容易に伝導帯に入ります。いわゆる N 型伝導は電子によって確保されます。電子が多数キャリアです。ドーピング率により、外部導電率は純粋な材料の導電率よりもはるかに高くなります。ドナー原子は、過剰な電子が伝導帯に入った後、正イオンになります。
タイプ P:ホウ素、アルミニウム、ガリウム、さらにはインジウムなどの 3 価の不純物がネットワークに導入されます。後者には、隣接するシリコン原子との 4 つの結合を確保するための価電子が欠けています。不純物が隣接するシリコンから電子を捕獲するには、低エネルギーで十分です。したがって、アクセプターと呼ばれる三価の原子はマイナスイオンになります。緩く結合されているため、移動可能な穴が形成されます。これらの正孔、つまり多数キャリアは、いわゆる P 型半導体の伝導を保証します。
複合材料
複合材料は、巨視的スケールで区別され、異なる物理的および機械的特性を有する 2 つの基本的な材料の混合物です。混合は、各成分の特性とは異なり、一般に優れた最適な特性を有するように行われます。複合材料は、少なくともマトリックス(バインダー) と強化材で構成されます。
選択された成分（一部は多機能）により、剛性、熱機械耐性、疲労耐性、耐食性、防水性、耐衝撃性、耐火性、断熱性および電気絶縁性、構造物の軽量化、複雑な形状の設計などの特性を向上させることができます。 。
各構成要素が果たす役割:
- マトリックスはバインダーであり、繊維を保護し、繊維に応力を伝達します。
- 繊維は機械的強度を提供し、応力に耐えます。
- 充填剤と添加剤は材料の特性を改善します。多くの場合、料金を設定すると材料のコストが下がります (希釈効果)。添加剤の例: 難燃剤、紫外線防止剤、防カビ剤、酸化防止剤。
複合材料の実装は自動化 (真空成形、 RTMなど) されるか、高性能部品の場合は職人技 (接触成形など) で行われます。
繊維とポリマーをベースとした複合材料は、最大クラスを構成します (現在製造されているすべての複合材料の 90%)。
複合材料は航空、自動車、鉄道などの分野で広く使用されています。
マトリックス
行列はオリジナルのものにすることができます。
- 有機: 熱可塑性または熱硬化性ポリマー (ポリエステル、ポリエポキシド、フェノール樹脂、ポリイミド、シリコーンなど)。
- 鉱物：カーボン、セラミック、コンクリート。
- 金属：Al、Mg。
充填剤 (鉱物、有機、金属) および添加剤は、ほとんどの場合、マトリックスに組み込まれます。
強化
強化材 (ガラス、カーボン、アラミド、ホウ素、金属繊維など) は次のような形態をとることができます。
- 繊維（短い、長い、または連続）、マットまたはファブリック。長い繊維 (特定のガラス繊維の場合) は応力の方向に配向することができます。
- 補強充填剤: 砂利 (コンクリートを作るためにセメントに添加される)、砂、ガラスビーズなど。 ;
- 鋼製（鉄筋コンクリートの場合）。
強化材は、マトリックス内で単独で存在することも (均質複合材)、異なる性質の強化材と結合することもできます (ハイブリッド複合材)。