Physique des matériaux I : Cours – Résumés – Exercices corrigés – TD corrigés – Examens corrigés

Les propriétés des matériaux (des solides entre autres) sont définies par l’arrangement atomique, la microstructure et la nature des liaisons chimiques. L’étude des relations entre ces 3 paramètres constitue la Sciences des matériaux.

Aucun objet ne peut être élaboré sans matériaux. Ainsi, tous les secteurs de l’activité humaine en dépendent, de la puce à l’édification d’un barrage hydroélectrique par exemple. Ci-dessous, nous donnons 3 exemples importants de l’utilisation des matériaux solides.

a- La ligne haute tension : dans une telle ligne, plusieurs types de matériaux sont nécessaires pour obtenir un système fonctionnel. Ainsi, on y trouve des matériaux conducteurs, isolants, des céramiques, des polymères et du béton.

b- Les prothèses : la mise au point de prothèses biomédicales utilise des polymères, des céramiques et des métaux.

c- L’industrie électronique : Le silicium monocristallin est indispensable dans cette industrie. On le retrouve dans les circuits intégrés, les ordinateurs, la robotique, les panneaux photovoltaïques……

Plan du cours de la physique des matériaux I

Chapitre_1 : Les réseaux

Introduction générale

1. Le réseau direct

2. Classification des réseaux de Bravais

3. Plans réticulaires et indices de Miller

3.1 Position dans la maille

3.2 Rangée

3.3 Plans réticulaires

3.4 Indices de Miller

4. Le réseau réciproque

4.1 Construction

4.2 Généralisation

4.3 Propriétés

5. Applications

Application 1 : Le réseau cubique

Application 2 : Réseau tétragonal primitif

Chapitre_2 : Les structures

1. Structure cristalline

2. Caractérisation d’une structure cristalline

3. Empilements compacts

4. Structures usuelles

5. Structures particulières

6. Les défauts dans les structures

7. Alliages

8. Structures non idéales

9. Structures non cristallines

10. Applications

Chapitre_3 : Détermination des structures par diffraction des rayons X

1. Diffraction à l’échelle macroscopique

2. Etude de la diffraction cristalline

3. Formulation de Bragg

4. Formulation de von Laue

5. Equivalence des formulations de Bragg et von Laue

6. Construction d’Ewald

7. Amplitude diffusée et facteur de structure

8. Identification des structures par DRX

9. Applications

Chapitre_4 : Les nouveaux matériaux

1. Introduction

2. Les quasi-cristaux

3. Les nanostructures

3.1 Définition

3.2 Propriétés

3.3 Techniques de fabrication

3.4 Techniques d’imagerie des nanostructures

4. Quelques exemples de nanomatériaux

5. Applications

Application 1: Diffraction par une chaîne linéaire

Application 2: Facteur de structure d’un réseau plan

Chapitre_5 : Energie de cohésion

1. Introduction

2. Energie de cohésion des cristaux ioniques

2.1 Energie de Madelung

2.2 Evaluation de la constante de Madelung

2.3 Evaluation de r

3. Energie de cohésion des cristaux moléculaires

3.1 Energie potentielle d’interaction dans les cristaux de gaz neutres

3.2 Paramètres du réseau à l’équilibre

4. Energie de cohésion des cristaux covalents et des métaux

5. Cristaux à liaison hydrogène

6. Rayons atomiques et ioniques

7. Applications

Chapitre_6 : Constantes d’élasticité et ondes élastiques

1. Introduction

2. Analyse des contraintes

3. Analyse des déformations

3.1 Déformation uniforme

3.2 Déformation non uniforme

3.3 Remarque

3.4 Dilatation

4. Loi de Hooke et constantes d’élasticité

5. Propagation des ondes élastiques dans les cristaux cubiques

6. Déterminations expérimentales des constantes d’élasticité

7. Application

Chapitre_7 : Phonons et vibrations des réseaux

1. Défaut du réseau statique

2. Approximation du cristal harmonique

3. Théorie classique du cristal harmonique

4. Vibrations d’une chaîne diatomique

5. Chaleur spécifique du réseau et loi de Dulong-Petit

6. Quantification des vibrations du réseau

7. Propriétés optiques dans l’infrarouge

8. Phonons localisés

9. Applications

Chapitre_8 : Théorie de Drude pour les métaux

1. Notion de classification

1.1 Structure cristalline et propriétés physiques

1.2 Liaison cristalline et propriétés physiques

1.3 Conductivité électrique des matériaux

2. Matériaux conducteurs

3. Modèle de Drude pour les métaux

3.1 Bases théoriques pour le modèle de Drude

3.2 Calcul de la conductivité électrique des métaux

3.3 Comparaison avec les résultats expérimentaux

3.4 Chaleur spécifique des métaux

3.5 Conductivité thermique et loi de Wiedemann-Franz

3.6 Conclusion

4. Application

Chapitre_9: Matériaux semi-conducteurs

1. Approche qualitative de la notion de bandes d’énergie dans les solides

2. Propriétés électriques des semi-conducteurs

2.1 Matériaux semi-conducteurs

2.1.1 Eléments de la colonne IV

2.1.2 Les cristaux III‒V

2.1.3 Les cristaux II‒VI

2.1.4 Les oxydes métalliques

2.1.5 Autres matériaux semi-conducteurs

2.2 Dopage d’un semi-conducteur

2.3 Conductivité électrique dans un semi-conducteur

3. Applications

Chapitre_10 : Matériaux supraconducteurs

1. Mise en évidence expérimentale de la supraconductivité

2. Fermions et bosons

3. Modèle BCS pour la supraconductivité

4. Effet Meissner

5. Classification des supraconducteurs

6. Matériaux supraconducteurs

7. Applications de la supraconductivité

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Cours N°1 de la physique des matériaux I

Chapitre 10

Cours N°2 de la physique des matériaux I

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Chimie minérale est la science qui décrit des corps simples et des composés de tous les éléments autres que le carbone, ainsi que des molécules très simples contenant un seul atome de carbone (oxydes de carbone, carbonates, cyanures …). Nous parlons de chimie minérale car, à l’origine, les corps étudiés venaient du règne minéral. On l’appelle parfois chimie inorganique, par opposition à la chimie organique qui se limite aux composés carbonés présents en abondance dans les règnes végétal et animal.

La chimie minérale des corps simples distingue 3 grandes classes d’éléments : les métaux, les non-métaux et les gaz rares.

Plan du cours Chimie Minérale

Chapitre I: Etat solide cristallin

I-1- Classification des solides cristallins

I-2- Propriétés physiques

I-3- Nature des cristaux et classification périodique

I-4- Notions de cristallographie

Chapitre II: Cristaux métalliques

II-1- La liaison métallique

II-2- Propriétés physiques des métaux

II-3- Structures métalliques

II-3-1- Assemblages compacts

II-3-2- Structures cubique à faces centrées (CFC) et hexagonale compacte

II-3-3- Assemblage semi compact: Structure cubique centrée (CC)

II-4- Insertion dans les réseaux

II-4-1- Condition d’insertion dans une structure CFC

II-4-2- Condition d’insertion dans une structure HC

Chapitre III: Cristaux ioniques

III-1- La liaison ionique

III-2- Stéréochimie de quelques structures de type MX

III-2-1- Structure type chlorure de césium CsCl

III-2-2- Structure type chlorure de sodium NaCl

III-2-3- Structure type ZnS blende

III-2-4- Structure type NiAs

III-2-5- Structure type ZnS wurtzite

III-3- Stéréochimie de quelques structures de type MX2

III-3-1- Structure type fluorine CaF2 et anti fluorine K2O

III-3-2- Structure type rutile TiO2

III-3-3- Structure type cristobalite SiO2

III-4- Rayons ioniques et structures

III-5- Détermination de l’énergie réticulaire des cristaux ioniques

III-5-1- Détermination par la méthode électrostatique

III-5-2- Détermination par la méthode thermodynamique

Chapitre IV: Cristaux covalents et cristaux moléculaires

IV-1- Les cristaux covalents

IV-1-1- Exemples de structures unidimensionnelles

IV-1-2- Exemple de structure bidimensionnelle : le graphite

IV-1-3- Exemple de structure tridimensionnelle : le diamant

IV-2- Les cristaux moléculaires

IV-2-1- Exemples de cristaux moléculaires à liaisons de Van der Waals

IV-2-2- Exemples de cristaux moléculaires à liaisons hydrogène

IV-3- Les liaisons intermoléculaires dans les cristaux covalents et dans les cristaux moléculaires

IV-3-1- Les liaisons de Van der Waals

IV-3-2- La liaison hydrogène

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