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UP1 : Les matériaux métalliques

Cheval de bataille des matériaux dits de structures, c’est-à-dire exploités pour des performances mécaniques. Ce matériau est omniprésent autour de nous, du trombone aux constructions architecturales, en passant par les transports.

Cette UP permet de comprendre les liens entre les propriétés mécaniques des matériaux métalliques et leur structure d’une part, et le lien entre la structure et le procédé d’autre part. Après une introduction générale permettant de comprendre les mécanismes responsables des propriétés mécaniques, une étude de cas sera analysée par petits groupes d’étudiants afin de les former au développement d’un matériau dans le cadre de la conception d’un produit. Les étudiants seront amenés à choisir et étudier un matériau, puis à étudier son évolution microstructurale en fonction des procédés de fabrication. Des outils numériques et expérimentaux permettant de prédire les microstructures possibles seront présentés afin d’être implémentés par l’ingénieur dans la démarche de conception. Le contrôle des de la taille de grain, des transformations de phase et de la précipitation seront abordés afin de décrire les situations habituelles en métallurgie, et leur mise à profit pour augmenter les propriétés mécaniques. Enfin la problématique de la durabilité des structures et de l’empreinte environnementale des matériaux seront étudiés afin de promouvoir la conception de produits pérennes et éco-responsables.


UP2 : Matériaux céramiques

Une recette de base, le frittage : chauffer à haute température un amas de poudre pour que ses grains s’agglomèrent jusqu’à former une structure compacte, plus ou moins poreuse avec des propriétés remarquables telles que l‘inertie chimique et la dureté. Des applications-phare dans la santé.

L'objectif de cette UP est d’apporter des connaissances de base sur la famille des matériaux céramiques. Une introduction permettra de définir cette famille de matériaux et présenter ses caractéristiques générales. Les céramiques pour les applications médicales seront utilisées comme point d’appui pour aborder les notions importantes : les microstructures, les propriétés mécaniques, les procédés de fabrication, les spécificités des verres et des liants hydrauliques dans la famille des céramiques. En particulier, les différentes étapes de la fabrication d’un matériau céramique (de la poudre à la pièce finale) seront détaillées, en mettant en avant les procédés classiques et avancés. Ceci sera complété par des démonstrations de mise en forme et de frittage d’échantillons, en lien avec les équipements disponibles au sein du Centre Sciences des Matériaux et des Structures de l’EMSE. Enfin des études de cas permettront de présenter aux étudiants l’utilisation des matériaux céramiques pour quelques propriétés fonctionnelles (céramiques transparentes, céramiques pour le nucléaire, céramiques pour les SOFC, etc).


Mots-clés

Céramiques, Verres, Procédés de fabrication, Microstructures, Propriétés mécaniques, Propriétés fonctionnelles


Domaine

Science et ingénierie des matériaux


UP3 : Les polymères, matériaux hybrides et issus du vivant

Cette UP est dédiée aux matériaux architecturés, qu’ils soient d’origine synthétique ou naturelle. Le terme matériaux architecturés désigne les matériaux présentant une morphologie intelligemment définie à une échelle donnée ou multi-échelle.

Parmi les matériaux synthétiques, les composites à matrice polymère permettent d’illustrer les différents concepts d’architectures développées telles que les matériaux interpénétrés, matériaux à gradients, matériaux anisotropes. Le développement de procédés spécifiques et notamment des procédés de fabrication additive offre la possibilité de fabriquer des matériaux architecturés à différentes échelles allant de quelques dizaines de micromètres à plusieurs dizaines de centimètres, ce qui permet d’envisager l’utilisation industrielle de tels matériaux, notamment dans les secteurs industriels du transport, de l’énergie et du biomédical.

Parmi les matériaux naturel, le bois ou l’os sont des exemples archétypaux de matériaux architecturaux. Les matériaux synthétiques peuvent s’inspirer de ces matériaux naturels : c’est l’enjeu de la bioinspiration dans le secteur des matériaux. Il s’agit de sortir d’une logique d’économie linéaire et gourmande en énergie et ressources, qui repose sur des matières premières rares, difficiles à extraire et à purifier. Par exemple, le bois, s’il est issu d’une gestion responsable des forêts, est durable : renouvelable, abondant, disponible localement. Il possède la faculté de piéger le carbone qu’il a absorbé lors de sa croissance. A rebours des idées reçues, le bois se classe parmi les matériaux qui présentent la plus forte résistance à la rupture pour une densité parmi les plus faibles, aux même titre que des matériaux polymères à haute technicité de type kevlar ou composites à fibre.



Mots-clés

Polymères, composites, matériaux architecturés, matériaux hybrides, matériaux naturels, bioinspiration


Domaine

Science et ingénierie des matériaux


UP4 : Les matériaux fonctionnels

Le terme « fonctionnel » est un mot-valise visant à décrire les matériaux qui n’ont pas été développés que pour leurs performances mécaniques mais surtout pour leur capacité applicative.

Cette UP apporte les notions de base permettant d’appréhender les matériaux dédiés aux cellules photovoltaïques. Le cours partira des phénomènes physiques fondamentaux pour aller ensuite jusqu’au technologies de fabrication. Les équations physiques fondamentales régissant les phénomènes de transport, génération et recombinaison des porteurs de charges dans les semi-conducteurs seront d’abord présentées. Ces équations permettront de calculer analytiquement la caractéristique courant - tension d’une cellule photovoltaïque simple. A partir de cette caractéristique, on définira l’efficacité d’une cellule et les phénomènes influençant cette efficacité. Ensuite, les cellules de 1ère, 2e et 3e générations seront présentées, avec les différents matériaux associés : silicium, matériaux III-V, chalogénures, matériaux organiques. Pour assimiler les connaissances, deux TDs sont proposés, un sur le calcul analytique de la caractéristique courant-tension d’une cellule simple et un autre sur la modélisation numérique d’une cellule, permettant de voir l’influence de différents paramètres sur l’efficacité de la cellule.

L'UP abordera également les matériaux à changement de phase utilisés dans le domaine du stockage de données et de la thermique.