UE Physico-chimie des matériaux / Physical chemistry of materials

Connaître et maîtriser les principes de fabrication des matériaux à partir de poudres et comprendre la genèse des microstructures des matériaux frittés pour trouver le meilleur compromis coûts / propriétés pour des pièces dont la forme peut être compliquée. Pour les métaux et alliages cette voie d'élaboration représente pour des raisons économiques une activité industrielle en très forte croissance. Pour les matériaux céramiques ces procédés de fabrication sont pratiquement incontournables et l'amélioration des propriétés des céramiques passe par la maîtrise du développement des microstructures lors du frittage.

Introduction et domaines d'application     
I. Procédés d'élaboration des poudres   
   A. Méthodes mécaniques       
   B. Méthodes chimiques           
II. Caractérisation des poudres       
   A. Taille des particules
   B. Caractéristiques globales
   C. Caractérisations chimiques
III. Mise en forme des corps crus       
   A. Préparation des poudres pour la mise en forme
   B. Mise en forme par pressage
   C. Mise en forme par voie liquide
   D. Formage en pâte plastique
   E. Autres procédés
IV. Frittage et maitrise des microstructures   
   A. Introduction et objectifs
   B. Les aspects théoriques et les mécanismes de frittage (cas du frittage en phase solide)
   C. Des aspects pratiques du frittage

Knowing and mastering the principles of making materials from powders and understanding the genesis of microstructures of sintered materials to find the best compromise costs / properties for pieces whose shape can be complicated. For metals and alloys this route of development represents for economic reasons an industrial activity in very strong growth. For ceramic materials these manufacturing processes are practically unavoidable and the improvement of the properties of ceramics passes through the control of the development of microstructures during sintering.

Introduction and fields of application
I. Powder production techniques
   A. Mechanical methods
   B. Chemical methods
II. Characterization of powders
   A. Particle size
   B. Global characterizations
   C. Chemical characterizations
III. Shaping (green part)
   A. Preparation of powders for shaping
   B. Powder compaction :isostatic pressing
   C. Slip casting
   D. Extrusion, injection moulding
   E. Other processes
IV. Sintering and control of microstructures
   A. Introduction and objectives
   B. Theoretical aspects and mechanisms of sintering (case of solid phase sintering)
   C. Practical aspects of sintering

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Connaître et maîtriser les relations entre les micro mécanismes, les microstructures et les propriétés mécaniques des métaux et alliages.

1 Les défauts et leurs comportements sous sollicitations thermiques ou mécaniques :
   1.1 Ponctuels : lacunes, impuretés
   1.2 Linéaires : dislocations
   1.3 Bidimensionnels : joints de grains, interfaces, fautes d'empilement
   1.4 Tridimensionnels : précipités
2 Les mécanismes de durcissement
3 La plasticité des métaux et alliages
   3.1 Le comportement en traction
   3.2 Le comportement en fluage
   3.3 Rôle de la microstructure
4 La fatigue et la rupture
5 Mise en forme par déformation plastique

Understanding the mechanical behaviour of metals and alloys based on the mechanisms of plasticity.

1 Defects in Materials
   1.1 Point defects
   1.2 Linear defects: disclocations
   1.3 2D defects : grain boundaries, interfaces, stacking faults
   1.4 3D defects : inclusions, precipitates
2 Hardening mechanisms
3 Plastic deformation of metals and alloys
   3.1 Uniaxial tension
   3.2 Creep
   3.3 Effect of microstructure
4 Failure mechanisms
5 Shaping by plastic deformation

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Illustration pratiques des cours portant sur les relations propriétés - microstructure des matériaux inorganiques : métaux et alliages, céramiques et matériaux frittés.

1. Durcissement structural des alliages d'Al
2. Recristallisation de l'aluminium pure
3. Frittage de ZnO

Illustration of the relationship between microstructures and properties in inorganic materials: metals, alloys and ceramics.

1. Precipitation hardening of Al-alloys
2. Recrystallization of pure aluminum
3. Sintering of ZnO

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Illustration du cours sur la viscoélasticité des polymères.

1 Calorimétrie différentielle à balayage
   - Tg, relaxation enthalpique - vieillissement physique, fusion, cristallisation
   - PS
   - PET mis en œuvre par injection-soufflage (bouteille de coca-cola)
2 Analyse thermomécanique dynamique (DMTA) de la mise en œuvre d'une résine époxy (colle Araldite)
   - Impact sur les propriétés mécaniques (température de transition, module G', G" etc)de la température de post traitement (ambiante, -5C, 45C)sur une éprouvette moulée à température ambiante et ainsi réticulé pendant 24h.
3 Essais de traction sur éprouvettes standardisées
   - Caractérisation des propriétés mécaniques en traction
   - Module d'élasticité, allongements et contraintes au seuil d'écoulement et à la rupture
   - Couples de polymères : PS cristal-PS choc, PEBD-PEHD, PP-PP chargé FV, PET amorphe-PET cristallin, etc.

Applications of the Polymer viscoelasticity class.

1 Differential Scanning Calorimetry
   - Tg, Enthalpic relaxation - physical aging, melting, crystallization
   - PS
   - PET processed by stretch blow molding (Coca-Cola bottle)
2 Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA) of the processing of an epoxy resin (Araldite glue)
   - Impact on the mechanical properties (transition temperature, G ', G "etc.) of the post-treatment temperature (ambient,-5C, 45C) on a specimen molded at room temperature and cured for 24 hours.
3 Tensile tests on standardized specimens
   - Characterization of tensile properties
   - Modulus of elasticity, elongation and stress at yield and at break
   - Couples of polymers studied : PS crystal-impact PS, LDPE-HDPE, PP-PP filled GF, amorphous PET-crystalline PET, etc..

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Le cours de Physique-Fondements est une introduction classique à la physique de l'état solide, avec dans une première partie la nature des liaisons cristallines et leur rôle dans les propriétés physiques, la quantification des vibrations du réseau sous forme de phonons et les conséquences sur les propriétés thermiques. La seconde partie du cours enchaîne sur les propriétés électroniques des solides basée avec une description de la conduction électronique par le modèle du gaz d'électrons libres de Drude, puis une amélioration du modèle par une approche quantique. Le chapitre suivant sera consacré à la théorie des bandes. Les deux derniers chapitres seront consacrés aux propriétés électroniques des métaux et des semi-conducteurs. La troisième partie du cours donne à un ingénieur les connaissances de base pour une bonne compréhension des matériaux magnétiques. Le cours démarre par une étude de la physique du magnétisme et détaille les quatre énergies qui gouvernent le comportement magnétique des matériaux (énergie d'échange, énergie Zeeman, énergie dé-magnétisante et énergie magnéto-cristalline).

 1 Liaisons dans les solides
 2 Phonons : modes de vibrations des atomes
 3 Phonons : propriétés thermiques
 4 Conduction électronique : approche classique
 5 Conduction électronique : corrections quantiques
 6 Théorie des bandes
 7 Propriétés électroniques des métaux
 8 Propriétés électroniques des SC
 9 Magnétostatique des milieux aimantes
 10 Techniques expérimentales en magnétisme
 11 Magnétisme de l'atome isolé
 12 Ferromagnétisme
 13 L'anisotropie magnéto-cristalline

The "Physics-Fundamentals" course is a classic introduction to solid state physics, with in a first part the nature of crystalline bonds and their role in physical properties, the quantization of phonon network vibrations and the consequences on the thermal properties. The second part of the course goes on the electronic properties of solids based on a description of the electron conduction by the free electron gas model of Drude, then an improvement of the model by a quantum approach. The next chapter will be devoted to band theory. The last two chapters will focus on the electronic properties of metals and semiconductors. The third part of the course gives an engineer the basic knowledge for a good understanding of magnetic materials. The course starts with a study of the physics of magnetism and details the four energies that govern the magnetic behavior of materials (exchange energy, Zeeman energy, demagnetizing energy and magnetocrystalline energy).

1 Bondings in solids
 2 Phonons: vibration modes of atoms
 3 Phonons: thermal properties
 4 Electronic Conduction: Classic Approach
 5 Electronic Conduction: Quantum Corrections
 6 Theory of bands
 7 Electronic properties of metals
 8 Electronic Properties of SCs
 9 Magnetostatic loving environments
 10 Experimental techniques in magnetism
 11 Magnetism of the isolated atom
 12 Ferromagnetism
 13 Magnetocrystalline anisotropy

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