Les matériaux sont différenciés selon leur
provenance (issus d’êtres vivants par exemple) et leurs propriétés, qu’elles soient mécaniques (flexibilité ou rigidité…), chimiques (perméabilité ou imperméabilité à l’eau…) ou encore physiques (conductivité de l’électricité ou de la chaleur…).
Ils sont généralement classés en différentes grandes familles :
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Les matériaux métalliques qui regroupent les métaux : fer, cuivre, bronze et les alliages métalliques : acier inoxydable
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Les matériaux organiques qui sont issus d’êtres vivants, plantes ou animaux (bois, coton, papier…)
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Les matériaux minéraux ou inorganiques : roche, céramique, verre.
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Les matériaux plastiques, qui, en général proviennent de combustibles dits fossiles se trouvant dans le sol, comme le pétrole par exemple.
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Les matériaux composites qui combinent plusieurs matériaux de famille différente pour obtenir de multiples propriétés (exemple : fibre de carbone).
Les principales caractéristiques des différentes familles de matériaux. © CEA
Les matériaux composent tous les objets qui nous entourent. Le choix des matériaux qui constituent un objet dépend des besoins et propriétés voulues pour l’objet. La combinaison de certains matériaux permet de combiner plusieurs propriétés. Ainsi, le
béton armé, constitué de béton et d’acier, permet de réaliser des constructions qui pourront supporter d’importantes charges (caractéristique du béton) mais aussi des efforts de traction (caractéristique de l’acier).
Notions clés
- Il existe différentes familles de matériaux : métalliques, organiques, minéraux, plastiques et composites.
- La conception de nouveaux matériaux répond à différents enjeux. En
santé, ils sont utilisés pour suivre, diagnostiquer ou soigner les patients. Dans le
domaine de l'énergie, ils permettent de récupérer, stocker et générer plus d’énergie. Dans le
domaine des technologies de l’information, ils permettent une meilleure communication des objets entre eux.
- Enfin, les matériaux s’inscrivent dans une démarche de
développement durable en prenant en compte, dès leur conception, leur
recyclage mais aussi en économisant de la matière et de l’énergie.
L’Homme créateur de matériaux depuis l’âge de pierre
Depuis toujours, les matériaux ont joué un rôle clé dans la société humaine. Dès l’âge de pierre, l’Homme taille le silex pour créer ses premiers outils. Lorsque le cuivre et le bronze sont découverts, de nouveaux usages naissent et viennent changer les modes de vie. Au fur et à mesure des découvertes et conception de nouveaux matériaux, l’Homme fait évoluer ses outils, ses constructions, ses modes de vie, et ses besoins.
Comment se conçoivent les matériaux ?
Du laboratoire à l’industrie
La recherche et le développement dans le domaine des nouveaux matériaux sont importants car ils conditionnent en grande partie les avancées scientifiques et les innovations technologiques de demain.
Les matériaux sont souvent la clé de l’essor d’une technologie. Par exemple, la démocratisation des téléphones et ordinateurs portables a été permise en partie grâce aux efforts de recherche et développement menés sur les matériaux des batteries de recharge de ces appareils.
Synthèse sol-gel de nanoparticules. © P. Stroppa / CEA
Pour concevoir un nouveau matériau, les ingénieurs et chercheurs vont d’abord commencer à dresser le « portrait-robot » type du matériau à partir de l'analyse des besoins et des attentes des industriels et consommateurs finaux. Ils conçoivent ainsi un cahier des charges avec les propriétés voulues pour le matériau : ce dernier doit-il être résistant ? Doit-il supporter des hautes températures ? Doit-il conduire l’électricité ?... Outre les propriétés recherchées pour le matériau, les scientifiques doivent considérer d’autres facteurs tels que le budget de conception et de réalisation du matériau, les
matières premières à utiliser et leur disponibilité, l’impact de la fabrication du matériau sur l’environnement et penser au
devenir du matériau en fin de vie.
Après avoir défini le cahier des charges, les scientifiques vont chercher à réaliser le matériau par différentes voies (procédés de synthèse chimique, procédés de cuisson, procédé de
fabrication additive…). Cette démarche nécessite au préalable un travail théorique d’analyse des connaissances scientifiques et techniques actuelles, complété par des
modélisations et simulations numériques du matériau. Ces modèles numériques, réalisés à l’aide d’ordinateurs ou de
supercalculateurs, permettent de prévoir en amont les propriétés et le comportement sur le long terme du matériau. Durant les différentes phases de conception et de réalisation du matériau, des expériences de caractérisation physique et chimique sont effectuées pour vérifier l’adéquation entre la théorie, les modèles prédits numériquement et la réalité physique.
Enfin, lorsque le matériau est fabriqué à l’échelle du laboratoire, il reste encore quelques étapes avant une mise en œuvre industrielle. Celle-ci doit en effet intégrer de nouvelles contraintes liées à une fabrication en série tout en conservant les performances du matériau.
fabrication additive
Zoom sur... La fabrication additive : des matériaux imprimés en 3D
La fabrication additive consiste à créer un objet couche par couche, à partir d’un modèle réalisé par ordinateur. Elle s’oppose aux méthodes traditionnelles, dites « soustractives », qui permettent de façonner une pièce dans un bloc de matière.
Pourquoi la fabrication additive suscite-t-elle autant d’intérêt ? Le premier avantage de ce mode de fabrication, à partir d’imprimantes 3D, est la
liberté de conception géométrique. A cet avantage, s’ajoute celui des propriétés physico-chimiques. Les pièces étant conçues couche par couche, il est possible d’attribuer à l’une d’elle certaines propriétés et d’autres à sa voisine. Enfin, les technologies d’impression 3D pourraient permettre, en théorie, d’économiser les ressources en
matières premières, dans la mesure où elles évitent la génération de chutes de matériaux, inévitables lorsqu’une pièce est usinée de façon soustractive à partir d’un plus gros bloc.
Les enjeux des nouveaux matériaux
Fabriquer des matériaux plus respectueux de l’environnement et recycler les matériaux
L’enjeu commun à toutes les recherches actuelles menées sur les matériaux est le
développement durable. L’objectif est d’intégrer, dès le départ, dans les étapes de fabrication du matériau une optimisation de l’efficacité et du coût énergétique des procédés, une économie et un
recyclage des matières premières, une réduction des déchets ultimes et de l’impact sur la santé de l’Homme et sur l’environnement. L’objectif est également de créer des matériaux recyclables voire, dans certains cas,
biodégradables.
Cet enjeu est représenté par la stratégie des « 3 R » :
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Réduire, dès la production, la quantité de ressources susceptibles de finir en déchets (par exemple, limiter les emballages…).
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Réutiliser les produits usagés constitués de matériaux pour leur donner une deuxième vie. (Par exemple, collecte des téléphones portables qui sont ensuite reconditionnés et revendus).
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Recycler les matériaux en mettant en œuvre une filière de retraitement avec un tri sélectif des matériaux afin de les transformer en nouvelles matières premières qui pourront être réutilisées pour fabriquer de nouveaux matériaux.
Le saviez-vous ?
En plus d’être respectueux de l’environnement, certains matériaux ont été créés pour dépolluer l’environnement. Ainsi, certains matériaux disposant de
membranes poreuses permettent la dépollution des eaux.
La
chimie verte, inspirée du concept de développement durable, peut aider à concevoir des matériaux plus facilement recyclables. Ainsi, les scientifiques cherchent désormais à limiter la production de matériaux issus du pétrole, en utilisant des
matériaux biosourcés, à partir d’autres matières premières que des hydrocarbures, tout en conservant les propriétés des plastiques. Par exemple, des plastiques, produits à partir de molécules issues de l’huile de ricin ou encore de déchets viticoles, composent des parechocs.
Les enjeux des matériaux pour la santé
En matière de santé, les nouveaux matériaux peuvent être utilisés sous forme de pansements ou de textiles chirurgicaux. Ils peuvent également avoir pour finalité d’être utilisés à l’intérieur du corps. Dans ce cas, ils doivent être tolérés par l’organisme mais aussi résister sur le long terme à un milieu chimiquement évolutif.
Ces matériaux supportés par l’organisme sont appelés les biomatériaux. L’enjeu principal de la recherche pour ces matériaux est d’obtenir une bonne adaptation de l’organisme à l’introduction du biomatériau (implant, prothèse, …) et une réponse appropriée en vue des fonctions déficientes à restaurer. Par exemple, des matériaux à mémoire de forme peuvent être utilisés (matériaux qui ont la capacité de mémoriser une forme initiale même après une déformation) pour la composition des stents, appareils médicaux qui permettent d’éviter aux artères de se boucher à cause des caillots de sang.
Les enjeux des matériaux pour l’énergie
Au cœur du processus d’innovation des systèmes énergétiques,
les matériaux du futur devront répondre à des spécifications toujours plus
exigeantes
en termes de sûreté, d’économie d’élaboration, de résistance, de durabilité, d’impact environnemental et de capacité de recyclage.
Module photovoltaïque avant/après délamination par CO2 supercritique. Ce procédé permet de séparer les différentes couches de matériau en vue de leur recyclage. La photographie illustre le gonflement des phases polymères après moussage en CO2 supercritique. © Y. Caudic / CEA
Dans le domaine du nucléaire où les installations sont conçues pour du très long terme (plusieurs dizaines d’années d’exploitation), certains composants tels que la cuve du réacteur ne peuvent pas être remplacés. Il s’avère donc nécessaire de développer une science prédictive du comportement des matériaux sur des temps longs.
Concernant les matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie, plusieurs axes d’amélioration sont explorés. Les matériaux de demain pour le photovoltaïque devront entre autres permettre d’augmenter le rendement des cellules photovoltaïques tout en abaissant leur coût.
Les enjeux des matériaux pour les nouvelles technologies de l’information et de la communication
Les nouvelles technologies de l’information et de la communication (NTIC) se développent rapidement depuis la fin des années 90. Toujours plus petits, performants et intelligents, les composants de ces technologies nécessitent des nouveaux matériaux aux propriétés multiples et complémentaires.
L’enjeu est de miniaturiser les dispositifs tout en augmentant leurs performances et en multipliant les fonctions. Les structures complexes sont généralement réalisées à partir de motifs à l’échelle du nanomètre (1 nanomètre est égal à un milliardième de mètre, 1 000 fois plus fin qu’un cheveu) qui permettent d’associer des matériaux de nature différente pour allier leurs propriétés physiques.
Textile lumineux. © CEA
Ces nouvelles avancées permettent aussi la création de matériaux comme des
textiles connectés pour surveiller en temps réel les performances sportives ou bien des
textiles intelligents qui peuvent transmettre des données et réagir en fonction des informations reçues. Par exemple, certains textiles réagissent à l’absence de lumière et s’illuminent.
Quiz sur les matériaux