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Description illustration de l'article

MU4CI701

Matériaux Inorganiques

 

Mots clés : Solide réel, propriétés physiques, structures, thermodynamique du solide

Responsable

Gilles Wallez, Pr, Institut de Recherche de Chimie Paris, Chimie ParisTech et Sorbonne Université

ECTS

Cours

TD

TP

Tutorat

Ecrit

CC

TP

Oral

Eval. répartie

6

28 h

22 h

7 h

 

80 %

 

20 %

 

non

Descriptif de l’UE

Les propriétés physiques d’un matériau sont étroitement liées à sa structure cristalline et électronique. Cependant cette structure cristalline s’éloigne du modèle idéal par la présence de défauts ponctuels ou étendus, introduits volontairement ou non et qui, même en très faibles proportions, induisent de profondes modifications des propriétés. Sur la base des notions de chimie du solide, cristallographie et thermodynamique, ce cours se propose de construire le modèle du solide réel afin de prévoir la fonctionnalité du matériau et de la maîtriser par le procédé d’élaboration. Une large gamme d’applications est présentée en rapport avec les propriétés.

Objectifs d’apprentissage

L’UE poursuit un triple objectif :
- l’étudiant acquerra les principales propriétés physiques et chimiques des matériaux inorganiques et quelques procédés d’élaboration importants (céramiques, métallurgiques) ; 
- il/elle développera une culture générale en matériaux par l’analyse d’applications technologiques simples (lasers solides, diodes, accumulateurs lithium-ion, mémoires, capteurs, éclairage et affichage fluorescents, …) ;
- il/elle développera une démarche multi-échelles de mise en relation de la structure (idéale ou irrégulière) à la propriété, commune à tout type de matériau afin de l’appliquer dans le futur. Les TD et TP soutiendront cette démarche qui sera au cœur de l’évaluation.

PrErequis

L’enseignement de cette UE s’appuie sur les connaissances développées en Licence relatives au solide (chimie du solide, cristallographie), mais aussi sur la thermodynamique. Les bases mathématiques usuelles en chimie physique sont également nécessaires.

Langue(1)

Cours, TD, TP : français

Documents : anglais

Bibliographie

 

 

 

 

(1) D’une manière générale, les documents de cours sont à rédiger en anglais. Les sujets d’examen sont en anglais ou accompagnés d’une explication en anglais s’il y a des étudiants non francophones.

Fonctionnement de l’UE

 

Programme

Défauts ponctuels
            - approche thermodynamique
            - lacunes et interstitiels dans les métaux (mobilité) 
            - défauts des composés ioniques, excitons, défauts d’irradiation (conductivité, couleur) 
Défauts étendus
            - dislocations (plasticité des métaux, cristallisation) 
            - joints de grains (céramiques, ségrégation de phases) 
            - fautes d’empilement
            - surfaces (morphologie, macles, croissance cristalline, épitaxie) 
Ordre et désordre
            - transitions de phases (phénomènes non-linéaires, alliages à mémoire de forme) 
            - solutions solides (alliages métalliques) 
            - mésophases (“cristaux liquides“) 
            - amorphes (verres) 
            - défauts d’irradiation (nucléaire, thermoluminescence) 
Non-stœchiométrie intrinsèque
            - approche thermodynamique, modèle et diagrammes de Kröger-Vink
            - oxydes d’éléments de transition, clusters (corrosion des métaux) 
            - réarrangements structuraux (phases de Magneli, bronzes) 
            - conductivité par hopping
Impuretés et dopage
            - la zircone stabilisée (pile à combustible, capteur de pression O2) 
            - dopage des solides ioniques (conductivité ionique, applications optiques, magnétiques)
            - matériaux d’intercalation (graphites, accumulateurs Li-ion) 
            - propriétés mécaniques (aciers) 
            - semi-conducteurs (jonction p-n, DEL, transistor, effet photovoltaïque)
Matériaux diélectriques 
            - matériaux isolants
            - piézoélectricité (capteurs, oscillateurs, allumeurs) 
            - pyro- et ferroélectricité (détecteurs thermiques, mémoires, condensateurs)
Matériaux magnétiques
            - ferro-, antiferro- et ferrimagnétisme
            - interactions et couplages magnétiques (stockage de l’information, imagerie médicale) 
            - propriétés de domaines, importance de la microstructure
Matériaux optiques 
            - excitation des électrons, absorption et émission (couleurs des solides) 
            - centres colorés : effet du champ cristallin diagrammes de Tanabe-Sugano
            - luminescence des éléments f (photoluminescence, effet laser)

 

Equipe pédagogique

Gilles Wallez (responsable, CM, TD et TP)
Christine Ménager (CM)
Sophie Cassaignon (TD, TP)
Damien Bregiroux (TD)
Christel Gervais-Stary (TD, TP)

 

Travaux Dirigés

Les TD s’effectuent en ½ groupes.

 

Travaux Pratiques

La séance de TP a lieu à la plateforme de Chimie Inorganique. Elle porte sur la synthèse de deux pigments : ZnO et CoAl2O4 dont on caractérisera les propriétés optiques en application du modèle du champ cristallin et de la non-stoechiométrie.