Les matériaux dits organiques proviennent de la matière vivante. C'est le cas du cuir, de la laine, du coton, du bois, du papier ou du carton. Bien que le carton soit souvent vu comme de la matière pour faire du bricolage, il peut, dans certains cas, être très utile sur les chantiers de construction. Les tubes utilisés pour couler le béton, par exemple, sont faits de carton. Les matériaux organiques ont tous la propriété d'être de bons isolants thermiques et électriques.
Dans le cadre de ce cours, nous nous attarderons plus particulièrement aux propriétés du bois. Celles-ci dépendent en fait de l'essence de bois utilisé (le type d'arbre). Le chêne ou l'érable, par exemple, sont des bois durs dont la densité en fait des matériaux plus lourds, mais aussi plus durs, plus résistants et plus résilients. On les utilise donc pour en faire des meubles ou du plancher, par exemple. Le pin ou l'épinette, des bois mous, sont généralement plus légers et coûtent moins cher, mais ils sont moins durs et se rayent donc plus facilement. On les utilise comme matériau de construction pour fabriquer des montants dans les murs, par exemple.
Le bois s’il n’est pas traité, peut se dégrader en pourrissant sous l’effet de l’humidité et du dioxygène. On peut ainsi avoir recours à des moyens de protection tels la peinture, l’huile, le vernis et le traitement avec des produits spéciaux (bois traités) pour augmenter sa longévité.
Bois durs (feuillus)
Bois mous (conifères)
Faible conductivité électrique et thermique Dureté, résilience, résistance Facilité de façonnage
Faible conductivité électrique et thermique Légèreté, élasticité, résilience Facilité de façonnage
1.2 Les métaux
Issus de minerai, les métaux sont des matériaux brillants dont la conductibilité thermique, mais surtout électrique, la malléabilité et la ductilité en font une matière prisée pour toutes sortes d'applications allant des plus petits fils électriques aux structures des plus imposants ponts. On utilise généralement le cuivre dans les fils électriques, mais on peut aussi y retrouver de l'aluminium ou de l'or. Les bijoutiers utilisent en grande partie l'or ou l'argent. On fabrique des toits de cuivre et des assiettes en aluminium. Le filament des ampoules est composé de tungstène, plusieurs pièces de monnaie sont faites de nickel et on brulait anciennement du magnésium pour créer le flash des appareils photographiques.
Pourtant, on n'utilise que très rarement des métaux purs, leur préférant les alliages, c'est-à-dire des mélanges de métaux avec d'autres substances qui ne sont pas toujours métalliques. Ainsi, on peut modifier les propriétés de certains matériaux et les rendre plus pratiques ou plus durables. Par exemple, l'acier (carbone et fer) a les avantages du fer dont il est composé, mais la présence de carbone lui offre une plus grande résistance et une plus grande dureté. Outre l'acier, le bronze, le laiton ou l'or blanc sont des exemples d'alliages. On dit qu'un alliage est ferreux lorsqu'il contient du fer, comme l'acier ou la fonte, et qu'il est non-ferreux lorsqu'il n'en contient pas comme le bronze (étain et cuivre) ou le laiton (zinc et cuivre). Il est donc recommandé de protéger les métaux de l’oxydation à l’aide de peinture, vernis, graisse, huile (traitement antirouille) ou d’avoir recours à la galvanisation qui consiste à mettre un revêtement comme le placage à l’aide du zinc ou du chrome, etc.
Métaux
Grande conductivité électrique et thermique Ductilité, malléabilité Propriétés particulières : Légèreté (aluminium), résistance à la corrosion et résistance mécanique (acier), magnétisme (fer, nickel, cobalt).
1.3 Les plastiques et polymères
Les plastiques sont des produits dérivés des polymères contenus dans le pétrole et le gaz naturel. On les retrouve autant dans nos bouteilles ou dans les verres de nos lunettes que dans certains de nos vêtements. On les sépare en trois grandes familles, soient les thermoplastiques, les thermodurcissables et les élastomères. Ces derniers, semblables à une sorte de caoutchouc synthétique qui compose les gaines des fils électriques ou les pneus, ne seront pas étudiés dans le cadre de ce cours.
Les thermoplastiques ont la propriété de pouvoir être fondus et remodelés en d'autres formes. Une fois durci, le plastique garde les mêmes propriétés qu'il avait avant d'être fondu. Les tubes de tuyauterie, le nylon, les plexiglas ou les emballages alimentaires ne sont que quelques exemples de thermoplastiques qui sont très largement utilisés.
Les thermodurcissables sont quant à eux des plastiques qui, même lorsqu'ils sont chauffés, demeurent solides. On en fait des planchers, de la mélamine, des poignées de casserole ou de la vaisselle.
Évidement, les propriétés des plastiques sont très variables selon leur procédé de fabrication. En plomberie, afin d’éviter que les conduits de plastique ne se dégradent lorsqu'ils sont en contact avec le chlore contenu dans l'eau, on ajoute des antioxydants lors de leur fabrication . Pour éviter le changement de couleur du plastique, les compagnies ont recours à l’ajout de pigments absorbant les rayons ultraviolets du Soleil dans leur plastique. Pour permettre l’imperméabilisation du plastique, un revêtement imperméable peut aussi être ajouté lors de la confection de l’objet.
Thermoplastiques
Thermodurcissables
Légèreté, neutralité chimique, résistance à la corrosion, élasticité, peuvent être recyclés sous l’effet de la chaleur, isolant thermique et électrique.
Rigidité, résilience, dureté, résistance à la corrosion, neutralité chimique et résistance à la chaleur, isolant thermique et électrique.
1.4 Les verres et céramiques
Les verres et les céramiques sont des matériaux issus de la transformation du sable ou de l'argile qui, lorsque soumis à de hautes températures, forment des matériaux à la fois durables, durs et résistants à certaines dégradations chimiques, mais qui peuvent montrer une certaine fragilité, surtout lorsque soumis à des chocs thermiques (variation brusque de température). Cette famille comporte le verre, évidemment, mais aussi le ciment, les briques, la terre cuite et tous les types de porcelaine (planchers, vaisselle...). On utilise les céramiques comme revêtement dans les fours, car elles présentent une bonne résistance à la chaleur, une faible conductibilité électrique, une grande dureté, une résistance à la corrosion et une bonne résistance à l'usure. Les céramiques plus récentes servent notamment comme matière isolante autant en électronique que pour soutenir les fils sur les pylônes électriques. Pour contrer les effets de la dégradation des céramiques, on peut les enduire de vernis. Il est aussi recommandé d'éviter les chocs thermiques, car même si elles sont rigides et dures, elles sont aussi fragiles (non résilientes). De plus, il faut éviter de les mettre en contact avec des acides ou des bases fortes.
Verres et céramiques
Résistance à la chaleur, grande dureté, résistance à la corrosion, résistance à l'usure, isolant thermique et électrique.
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Le bois est un matériau pratique et utile, mais comme c'est un matériau organique, ses caractéristiques ne sont pas uniformes. C'est donc d'abord et avant tout pour homogénéiser les propriétés du bois qu'on modifiera sa structure grâce à certaines techniques. Par exemple, pour faire un contreplaqué, on colle des panneaux dont les fibres se croisent perpendiculairement. Les panneaux ainsi formés sont plus rigides ce qui en fait un bon matériau pour fabriquer des planchers, par exemple. On peut aussi mélanger des résidus de bois avec des particules de résines thermodurcissables pour en faire des panneaux de fibres ou des panneaux de particules. Ces panneaux sont généralement peu coûteux, mais ils sont plus dommageables pour l'environnement lorsqu'ils sont en fin de vie.
Un matériau composite est un mélange hétérogène d’au moins deux catégories de matériaux différents qui a pour but d’en améliorer les propriétés et d’en faire des combinaisons attrayantes. On y retrouve deux parties essentielles dans l’élaboration d’un matériau composite soit la matrice qui forme le squelette du matériau et les renforts qui s'insèrent dans cette dernière. Afin d’éviter la dégradation des matériaux composites, on doit choisir des matériaux qui sont rigides (ne se déforment pas facilement) ou bien qui sont aussi résilients ( ne se rompent pas facilement). De plus, on doit faire de bons ajustements afin que les renforts et la matrice tiennent fortement ensemble.
2.2.1 Le béton armé
Le béton est un excellent matériau de construction. En effet, il résiste très bien aux contraintes de compression, ce qui en fait un matériau de choix pour les routes et les différentes structures. Cependant, il résiste très mal aux contraintes de tension, de flexion, de cisaillement ou de torsion. Pour concevoir un pont, il se peut que ces faiblesses occasionnent des problèmes . Or, avec le bon renfort (de l'acier), le béton devient du béton armé, capable de faire face à toutes ces contraintes.
2.2.2 Les fibres de verre et de carbone
Certains matériaux composites utilisent comme renfort la fibre de verre ou la fibre de carbone. À la fois légère et peu coûteuse (par rapport à la fibre de carbone), la fibre de verre est un composite formé, comme son nom l'indique, de verre, et utilise généralement un plastique thermodurcissable comme matrice. Elle forme des matériaux à la fois rigides et résistants à la corrosion qu'on retrouve pour renforcer le béton ou le ciment, dans certaines laines d'isolation thermique ou dans les réseaux de télécommunication.
La fibre de carbone est plus résistante que la fibre de verre et sa faible masse volumique la rend particulièrement intéressante pour la fabrication d'articles de sports qui doivent être légers comme des vélos ou des raquettes de tennis par exemple. On les utilise aussi dans les domaines aéronautique et spatial pour permettre d'alléger la carlingue des appareils sans négliger la rigidité du matériel.
On a vu qu'on peut changer les propriétés des matériaux en les unissant ensemble sous forme d'alliage ou de composites, ou en appliquant un agent protecteur (peinture, vernis) sur sa surface. On peut aussi changer les propriétés de l'acier grâce à des traitements thermiques. Ainsi, on peut améliorer certaines propriétés en chauffant l'acier. Voici trois techniques utilisées pour changer les propriétés de l'acier.
3.1 La trempe
La trempe consiste à chauffer une pièce d'acier à une température très élevée (au-delà de 800 ℃), puis de le refroidir très rapidement dans une solution (de l'eau par exemple). L'acier devient alors plus dur (résiste à la pénétration), mais plus fragile (se brise avant de se déformer).
3.2 Le revenu
Pour modifier une pièce qui a déjà subi une trempe, on chauffe la pièce à une température inférieure à celle de la trempe, puis on le laisse refroidir lentement. L'acier conserve alors une certaine dureté, mais augmente sa ductilité et diminue sa fragilité.
3.3 Le recuit
Pour effacer les effets de la trempe et redonner au matériau ses propriétés d'origine, il faut le chauffer à très haute température, puis le laisser refroidir lentement. Ce procédé s'appelle le recuit. On utilisera ce procédé, entre autres, pour effacer des traces de soudure sur une pièce.
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