Propriétés des matériaux et organisation de la matière

I. Familles de matériaux

• Les matériaux sont classés en plusieurs familles selon leur origine et leur composition :

  $\circ\quad$ Matériaux métalliques : métaux et alliages (acier, aluminium, cuivre, etc.).

  $\circ\quad$ Matériaux organiques : polymères naturels ou synthétiques (plastiques, caoutchouc, bois, etc.).

  $\circ\quad$ Matériaux minéraux : roches, céramiques, verres, etc.

  $\circ\quad$ Matériaux composites : association de plusieurs matériaux (fibre de verre, fibre de carbone, etc.).

• Schéma de synthèse (d'après le site Eduscol) :

• Exemples d'application :

  $\circ\quad$ Le cuivre est un matériau métallique utilisé dans les câbles électriques pour sa conductivité électrique élevée ;

  $\circ\quad$ Le polyéthylène est un matériau organique utilisé pour fabriquer des bouteilles plastiques ;

  $\circ\quad$ Le verre est un matériau minéral utilisé dans les fenêtres et les écrans ;

  $\circ\quad$ Les composites à base de fibre de carbone sont utilisés dans l'aéronautique pour leur légèreté et leur résistance mécanique.

II. Propriétés des matériaux

1. Principales propriétés

Chaque matériau possède des propriétés spécifiques qui déterminent ses domaines d'application.

$\textcolor{purple}{\text{a. Propriétés électriques}}$

Les propriétés électriques à retenir sont les suivantes :

• Conductivité électrique : capacité à laisser passer le courant électrique (ex. : cuivre, aluminium).

• Résistivité électrique : résistance d'un matériau au passage du courant, notée $\rho$ et exprimée en $\Omega \cdot \text{m}$ :

  $\boxed{\rho = R \cdot \dfrac{S}{L}}$

  où

  $\circ\quad$ $R$ est la résistance (en $\Omega$) ;

  $\circ\quad$ $S$ la section (en $\text{m}^2$) ;

  $\circ\quad$ $L$ la longueur (en $\text{m}$).

$\textcolor{purple}{\text{b. Propriétés thermiques}}$

Les propriétés thermiques à retenir sont les suivantes :

• Conductivité thermique : capacité à transmettre la chaleur (ex. : cuivre, acier) ;

• Résistance thermique surfacique : résistance d'un matériau au passage de la chaleur, notée $R_{th}$ et exprimée en $\text{m}^2 . \text{K} . \text{W}^{-1}$ :

  $\boxed{R_{th} = \dfrac{e}{\lambda \cdot S}}$

  où

  $\circ\quad$ $e$ est l'épaisseur (en $\text{m}$) ;

  $\circ\quad$ $\lambda$ la conductivité thermique (en $\text{W} . \text{m}^{-1}. \text{K}^{-1}$) ;

  $\circ\quad$ $S$ la surface (en $\text{m}^2$).

$\textcolor{purple}{\text{c. Propriétés mécaniques}}$

Les propriétés mécaniques à retenir sont les suivantes :

• Résistance à la traction, à la compression, à la flexion.

• Dureté : résistance à la rayure ou à la déformation.

• Élasticité : capacité à retrouver sa forme initiale après déformation.

$\textcolor{purple}{\text{d. Propriétés optiques}}$

Les propriétés optiques à retenir sont les suivantes :

• Transparence : capacité à laisser passer la lumière (ex. : verre, plexiglas).

• Réflexion : capacité à réfléchir la lumière (ex. : miroir).

• Indice de réfraction : rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et dans le matériau, noté $n$ et sans unité :

  $\boxed{n = \dfrac{c}{v}}$

  où

  $\circ\quad$ $c$ est la vitesse de la lumière dans le vide (en $\text{m/s}$) ;

  $\circ\quad$ $v$ sa vitesse dans le matériau (en $\text{m/s}$).

$\textcolor{purple}{\text{e. Propriétés magnétiques}}$

Les propriétés magnétiques à retenir sont les suivantes :

• Ferromagnétisme : capacité à être attiré par un aimant (ex. : fer, nickel, cobalt) ;

• Paramagnétisme : faible attraction par un aimant (ex. : aluminium) ;

• Diamagnétisme : faible répulsion par un aimant (ex. : cuivre).

$\textcolor{purple}{\text{f. Propriétés physico-chimiques}}$

Les propriétés chimiques à retenir sont les suivantes :

• Résistance à la corrosion : capacité à résister aux réactions chimiques avec l'environnement (ex. : acier inoxydable).

• Réactivité : capacité à réagir avec d'autres substances (ex. : acide chlorhydrique avec le zinc). La réaction (ou transformation) chimique a été abordée en détail dans la fiche de cours suivante :

  L'énergie chimique

• Il en existe plein d'autres, déjà vues au collège telle que la solubilité, la masse volumique, la température de changement d'état, etc.

2. Applications

• Un câble électrique en cuivre doit avoir une faible résistivité électrique pour minimiser les pertes d'énergie.

• Une casserole en aluminium doit avoir une conductivité thermique élevée pour chauffer rapidement.

• Un miroir doit avoir une surface réfléchissante pour renvoyer la lumière.

• Etc.

III. Cycle de vie d'un matériau

1. Notion et étapes du cycle de vie

• Le cycle de vie d'un matériau comprend plusieurs étapes, de sa production à son recyclage ou élimination.

• Étapes du cycle de vie :

  $\circ\quad$ Extraction des matières premières : extraction minière, pétrolière, végétale, etc. ;

  $\circ\quad$ Transformation : fabrication du matériau (ex. : fusion du minerai pour obtenir du métal, polymérisation pour obtenir du plastique) ;

  $\circ\quad$ Utilisation : application du matériau dans un produit (ex. : utilisation de l'acier pour construire un pont) ;

  $\circ\quad$ Fin de vie : recyclage, réutilisation, ou élimination (ex. : recyclage des canettes en aluminium, incinération des plastiques non recyclables).

• Exemple d'application :

  $\circ\quad$ L'aluminium est produit à partir de bauxite, transformé en aluminium pur, utilisé dans les canettes ou les cadres de vélo, puis recyclé pour fabriquer de nouveaux produits.

  $\circ\quad$ Le plastique est produit à partir de pétrole, utilisé dans de nombreux objets du quotidien, et souvent incinéré ou envoyé en décharge en fin de vie.

2. Application : le tri sélectif

• Le tri sélectif est une pratique importante pour la gestion des déchets. Il permet de collecter, trier et recycler les matériaux pour leur donner une seconde vie.

  $\circ\quad$ Collecte : les métaux sont collectés séparément des autres déchets ;

  $\circ\quad$ Tri : les métaux sont triés selon leur nature et leurs propriétés ;

  $\circ\quad$ Recyclage : les métaux triés sont fondus et transformés en nouveaux produits.

• Exemple : les canettes de soda en aluminium peuvent être recyclées pour fabriquer de nouvelles canettes ou d'autres produits en aluminium.