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RELATION STRUCTURE-PROPRIÉTÉS

Correction de l'exercice : Les propriétés des métaux, verres et céramiques ...

Résumer les propriétés des métaux, verres et céramiques.

Les métaux sont les éléments chimiques qui possèdent un ensemble de propriétés spécifiques : une bonne conductivité thermique et électrique (qui diminue avec la température), de l'élasticité,  un éclat métallique et des oxydes basiques.

Les métaux sont surtout utilisés sous forme d'alliages (mélange de plusieurs métaux, ou d'un métal avec certains éléments non métalliques).
Les alliages sont préférés aux métaux purs, car ils permettent d'améliorer une ou plusieurs caractéristiques souhaitées (dureté, résistance à la corrosion, perméabilité magnétique, ...).

Les métaux sont formés d'atomes dont la cohésion est assurée par une liaison d'un type particulier, la liaison métallique dans laquelle les électrons de valence sont délocalisés sur l'ensemble de la structure. Le réseau cristallin peut être considéré comme un réseau d'atomes positifs baignés dans un nuage d'électrons, l'ensemble étant neutre.

La liaison métallique étant moins forte que la liaison covalente, les métaux peuvent être déformés sous l'action de forces extérieures et l'on définit un ensemble de propriétés pour les caractériser (résistance, dureté, ductilité, malléabilité, rigidité et élasticité).

Les verres sont des matériaux amorphes obtenus le plus souvent par solidification d'un mélange de composés fondu à une température élevée, puis refroidi (l'absence de cristallisation est favorisée par une viscosité suffisante, une vitesse de refroidissement importante et l'absence de germes de nucléation).
Le terme amorphe signifie que le matériau n'a pas une structure régulière avec un arrangement périodique des atomes sur une longue distance, comme c'est la cas pour les matériaux cristallins.
Un phénomène particulier distingue les verres d'autres solides amorphes, c'est la transition vitreuse.
Dans la silice amorphe, les liaisons Si-O sont ionocovalentes (en partie covalentes et en partie ioniques).
Les liaisons covalentes, étant nombreuses ( ≈ 50 %), la température de fusion de la silice est élevée  mais un ajout modéré de métaux alcalins (Na₂O) ou alcalino-terreux, qui ont une valence plus faible que le silicium, ce qui ouvre certaines mailles et fait baisser nettement la température de fusion, conduit à la formation de liaisons Métal-O à caractère ionique plus marqué, donc moins fortes et fait baisser la viscosité (la liaison Na-O, est environ 5 fois plus faible qu'une liaison Si-O ).

Les céramiques n'ont intéressé que récemment l'industrie pour créer des matériaux aux propriétés physiques spécifiques :
mécaniques, électriques, magnétiques, optiques, piézoélectriques, ferroélectriques, supraconductrices ...

Ces céramiques, dites techniques présentent des liaisons de type ionocovalent et peuvent être classées en trois catégories :

• les oxydes métalliques : Al₂O₃, BeO, Fe₃O₄, SiO₂, ZrO₂ ...
• les non-oxydes : carbures (SiC, W₂C, ...), borures (CaB₆, TiB₂ ...), nitrures (AlN, BN, ...) et les siliciures (MoSi₂, TiSi₂, ...)
• composites d'oxydes et non-oxydes. De nombreuses céramiques sont composées de trois ou quatre éléments comme le carbure de tungstène-cobalt (WC-Co), le cuprate de lanthane-strontium (LaSrCuO), ...

Le caractère ionocovalent des liaisons conduit à des structures cristallines de géométrie compacte.
Les propriétés physiques spécifiques des céramiques, liées à leur structure, sont nombreuses, en particulier, les propriétés magnétiques et thermiques qui sont à l'origine de nombreuses applications.

Les céramiques ayant des propriétés magnétiques intéressantes sont formées d'oxydes, elles sont appelées ferrites (la plus connue est la magnétite, Fe₃O₄). Les cristaux de magnétite contiennent deux formes différentes du fer, des ions Fe²⁺ et des ions Fe³⁺, dans une structure cristalline de type spinelle. Si dans la structure, on remplace l'ion Fe²⁺ par un autre ion métallique divalent (Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺...), même si le métal n'est pas ferromagnétique, on obtient des ferrites ayant des propriétés magnétiques différentes.