Les matériaux

Les matériaux

Pour réaliser un objet technique l’homme utilise différents matériaux. Ces matériaux peuvent être d’origines naturelles ou artificielles.

On distingue quatre familles de matériaux : les métaux, les matériaux minéraux, les matériaux organiques et les matériaux composites.

Les 4 familles

Métaux

Les métaux sont des matériaux qui ont la particularité de conduire l’électricité. De manière générale, les métaux sont aussi plutôt lourds, solides. Enfin, ils peuvent être déformés, ou fondus puis moulés, pour créer des pièces de formes très spécifiques.

Il est possible de mélanger deux métaux, on obtient alors un alliage métallique.
Voici quelques métaux courants : acier, fer, cuivre, aluminium, bronze, fonte.

Matériaux minéraux

Les matériaux minéraux sont des matériaux, issus des roches, qui ont des caractéristiques très variées. On les appelle aussi les céramiques.
Voici quelques matériaux minéraux courants : pierre, plâtre, verre, porcelaine, béton.

Matériaux organiques

Les matériaux organiques sont des matériaux d’origines animale ou végétale. Certains peuvent aussi être synthétisés. La plupart des matériaux organiques sont des isolants électriques, assez légers et faiblement à moyennement solides.

Les plastiques, aussi nommés polymères, forment une sous-famille importante des matériaux organiques. 
Voici quelques matériaux organiques courants : plastique, bois, coton, cuir, papier.

Matériaux composites

Les matériaux composites sont un assemblage d’au minimum deux matériaux. En combinant deux matériaux différents, appartenant parfois à deux familles différentes, on peut obtenir des matériaux aux caractéristiques exceptionnelles.

Contrairement aux alliages métalliques, les deux matériaux restent bien séparés au sein du composite. Les composites sont classés en trois types, en fonction de la manière dont les deux, ou plus, matériaux sont associés : les monocouches, les stratifiés et les sandwiches.

Voici quelques matériaux composites courants : le béton armé qui est un mélange de béton et de barres d’acier, les composites à base de résine et de fibres de carbone (ou de fibres de verre) sont à la fois très solides et très légers.

Conductivité électrique

La conductivité électrique d’un matériau représente sa capacité à laisser passer ou non l’électricité. Les matériaux peuvent être rangés en deux catégories :

• les conducteurs électriques, qui laissent passer l’électricité ;
• les isolants électriques, qui bloquent l’électricité.

Les métaux sont de bons conducteurs, alors que les plastiques sont de bons isolants.

Parmi les conducteurs, certains matériaux sont de très bons conducteurs et laissent mieux passer l’électricité. D’autres ont tendance à gêner le passage de l’électricité, et à chauffer quand ils sont traversés.

Les meilleurs conducteurs électriques sont, dans l’ordre : l’argent, le cuivre, l’or puis l’aluminium.

Conductivité thermique

La conductivité thermique d’un matériau représente sa capacité à laisser passer ou non la chaleur. Un matériau avec une haute conductivité laissera facilement passer la chaleur, c’est le cas des métaux (on peut penser aux casseroles pour cuisiner). D’autres matériaux seront au contraire de bons isolants thermiques, en ne laissant pas bien passer la chaleur : ils pourront être utilisés pour isoler une maison par exemple, comme la laine de verre ou la laine de roche.

Masse volumique

Chaque matériau est caractérisé par une masse volumique, notée $\rho$, exprimée en $kg/m^3$. Elle représente la masse, en kg, d’un cube d’un mètre de côté qu’on remplirait avec le matériau.

Les métaux ont généralement une masse volumique élevée : environ $8000 kg/m^3$ pour l’acier par exemple, ou $2700 kg/m^3$ pour l’aluminium qui est très léger pour un métal.

Les matériaux des autres familles sont, de manière générale, plus légers : environ $1000 kg/m^3$ pour les plastiques par exemple, de $1200 kg/m^3$ à $2500 kg/m^3$ pour la plupart des matériaux minéraux, ou de $500 kg/m^3$ à $1000 kg/m^3$ pour la plupart des bois.

À titre de comparaison, l’eau a une masse volumique de $1000 kg/m^3$.

Sollicitation mécanique

Lorsque l’on applique un effort à un élément (pièce ou objet complet), pour le déformer, on dit qu’on lui applique une sollicitation mécanique. Les principales sollicitations mécaniques sont la traction, la compression et la flexion :

Caractéristiques mécaniques

Rigidité

La rigidité d’un matériau est liée à la manière dont il se déforme, lorsqu’il subit une sollicitation mécanique. Un matériau rigide se déformera peu, même en subissant une sollicitation intense. Un matériau souple se déformera facilement.

Les métaux et les matériaux minéraux sont rigides, alors que les matériaux organiques sont plus souples.

Élasticité

L’élasticité d’un matériau représente sa capacité à se déformer, sans que ces déformations soient permanentes : un matériau avec une bonne élasticité pourra se déformer si on essaie de le plier ou de l’étirer, mais il reprendra sa forme initiale lorsqu’on le relâchera : on dit alors qu’il est élastique.

Les métaux et les plastiques ont une élasticité moyenne. Le caoutchouc, qui est un polymère, possède une excellente élasticité. Les matériaux minéraux ne sont pas du tout élastiques.

Ductilité

La ductilité (aussi nommée plasticité) d’un matériau représente sa capacité à se déformer, de manière permanente, mais sans qu’il casse. Un matériau avec une bonne ductilité sera dit ductile. Un matériau avec une faible ductilité sera dit fragile.

Les métaux et les plastiques sont ductiles, alors que les matériaux minéraux sont fragiles.

Dureté

La dureté d’un matériau représente sa capacité à résister aux impacts et rayures. Un matériau est dit dur, s'il est difficile de le rayer ou de laisser une trace sur le matériau après un impact. À l’inverse, un matériau facile à rayer est dit mou.

Les plastiques sont mous, alors que les matériaux minéraux sont durs. Pour les métaux, ils sont relativement durs en général, mais pas autant que les minéraux.

Le recyclage ne s’opère pas du tout de la même manière selon le matériau :

• Le bois

Il peut être recyclé en papier (grâce à sa cellulose) ou en d’autres objets (refaçonnage), brûlé pour créer de l’énergie (système d’incinérateur à récupération d’énergie ou chauffage) et, selon le type de bois, il peut être recyclé en panneaux de particules (agglomérés de bois qui permettent de fabriquer des meubles à bas coût).

• Le plastique

Il y a deux types de plastique : les plastiques transparents (bouteilles d’eaux minérales par exemple) et les plastiques opaques (flacons, bidons de lessive, bouteilles de lait, etc.).

Dans les deux cas, il faut laver le plastique avant de le broyer, puis le relaver, avant de le faire fondre (en le chauffant à haute température). Ensuite, on a plusieurs possibilités :

• Le plastique transparent peut être transformé en de nouvelles bouteilles, différents produits comme des tissus, vêtements, moquettes ou même en ouate pour rembourrer certains anoraks, couettes et oreillers.
• Le plastique opaque peut être transformé en de nouveaux flacons, chaises de jardin, tubes et canalisations pour la plomberie, etc.

• Le verre
  

Il est un des seuls composants que l’on utilise au quotidien qui est 100% recyclable. Après avoir écarté le papier, les bouchons en acier ou en plastique, et les autres intrus, il est chauffé dans des fourneaux à haute température et il est refondu dans un moule pour obtenir une nouvelle bouteille, un nouveau bocal en verre.

• L’acier

Il fonctionne comme le verre pour le recyclage : après avoir été trié et calibré (différenciation de la taille et de la forme), il est chauffé à haute température (1 600° C !) pour être fondu. Une fois mou, il est travaillé pour donner la forme souhaitée.

Contrairement au verre, une partie de l’acier est perdue (fumée et déchet non recyclable).

• Le papier/carton

Ils peuvent être recyclés en un autre papier ou un autre carton à condition qu’ils soient parfaitement propres (pas de déchets organiques dessus, d’encre, de tâches de gras, etc.). Sinon, ils sont brûlés pour créer de l’énergie thermique.

Il est préférable de les recycler en un autre support car cette opération est réalisable plusieurs fois, elle est donc plus écologique.