Matériaux fonctionnels : élaboration et applications

Ce cours se concentre sur des matériaux de l'industrie, à caractère souvent innovant, utilisés à la fois pour leur propriétés de résistance mécanique, mais aussi pour leur faculté à remplir une fonction spécifique en lien avec l'énergie. Les différentes thématiques proposées autour de ces matériaux s'articulent ainsi :

1) Introduction aux matériaux céramiques (propriétés, principales voies de synthèse, mécanisme de frittage caractéristiques des poudres) et aux traitements de surface (en particulier la procédés de projection plasma)

2) Mise en oeuvre des matériaux métalliques par fonderie, mise en forme par déformation plastique à froid et à chaud,fabrication additive, présentation des structures induites par chaque procédé et solutions d'amélioration

3) Photovoltaïque où seront abordés les généralités sur le gisement solaire (rayonnement solaire, mécanique céleste, variabilité de la ressource, diagrammes solaires …), l’effet voltaïque (photodiode, caractéristiques et effet de l’intensité lumineuse et de la température, protection …), les différentes technologies (procédés de fabrication et avantage/inconvénients) et la production en site isolé et sur le réseau (présentation des composants : modules PV, accumulateurs, régulateur de charge, onduleur, Conception d’un système autonome)

4) Les matériaux (extraction, transformation, usage, fin de vie) : une pratique réflexive sur les enjeux et défis liés aux matériaux dans un monde en transformation.

5) Propriétés électromagnétiques des matériaux: Matériaux magnétiques, métalliques et diélectriques. Structures périodiques et Métamatériaux: principe et applications.

Les objectifs communs aux différentes thématiques sont de :
- acquérir des connaissances sur les matériaux actuels capables de récupérer, stocker, transformer ou utiliser de façon nouvelle de l'énergie.
- s’adapter aux nouveaux matériaux dans ce contexte et participer au développement de ceux de demain.

Plus particulièrement, les objectifs propres à chaque thématique sont (dans l'ordre où elles apparaissent dans la description) :
1) Apprendre à connaître :
- la classe des matériaux céramiques aux propriétés physiques très spécifiques
- comment améliorer les propriétés de surface des matériaux

2) Appréhender :
- en fonderie, l'influence de la technique de moulage, vitesse de refroidissement, de la pression de moulage, des inoculants
- en déformation plastique à chaud et à froid, l'influence de la vitesse de déformation, de l'état antérieur du matériau
- en fabrication additive de poudres métalliques, l'influence de la finesse des poudres et la technique de lasage

3) Se familiariser avec les technologies du photovoltaïque (moyen de production d'électricité à partir d'énergie renouvelable) et se former au prédimensionnement des installations afférentes.

4) Mener une réfléxion sur le matériau dans une approche "globaliste", où il s'agit de :
- se familiariser avec le vocabulaire des transformations sociétales et environnementales (grâce à un jeu de cartes et un arpentage de ressources sélectionnées)
- questionner notre rapport au matériau comme technosolution, apporter de la nuance et de la complexité aux problématiques matériaux (construction d'un débat inspiré du tribunal pour les générations futures : "faut-il encore inventer de nouveau matériaux ?")

5) Acquérir des connaissances sur les propriétes électromagnétiques des différents matériaux.

Session 1
Régime standard : Contrôle continu
Selon les intervenants, le contrôle de connaissance pourra avoir lieu sous les formes suivantes :
- Travaux Pratiques
- Devoir Surveillé
- Participation active et constructive aux ateliers
Régime dérogatoire : Le régime dérogatoire n’est pas proposé pour cet enseignement

Session 2
- Devoir Surveillé

Connaissance en structure de la matière et les bases de cristallographie

Bases solides sur le rôle des dislocations et les traitements thermiques, lecture d'un diagramme de phases, maîtrise des phénomènes de ségrégations mineures et majeures

Notions d'électricité et d'électromagnétisme

• En général :
Connaître les propriétés et les procédés de fabrication de certains matériaux fonctionnels innovants et leur utilisation dans l’industrie.

• Thématique sur les matériaux céramiques :
Distinguer les céramiques des autres matériaux de par leur composition chimique et structurale.
Connaitre les différentes étapes du procédé de fabrication des céramiques (procédé de frittage).
Connaitre leurs propriétés et leurs qualités particulières : résistance à la chaleur (matériaux réfractaires), dureté et résistance à l’usure, propriétés isolantes, magnétiques et piézo-électriques.
Connaitre leurs usages.
Connaitre les techniques de revêtements par voie sèche.
Connaitre les principes des procédés plasmas et/ou lasers pour l’élaboration de matériaux céramiques en couches dont les architectures micrométriques ou nanométriques leur confèrent des propriétés spécifiques.

• Thématique sur les procédés de fabrication :
Identifier les paramètres des processus de fabrication influençant la structure macrographique et micrographique
Connaitre les principales structures de fonderie (Étude de cas)
Identifier les phénomènes de contraintes résiduelles, texturage macrographique, texturage micrographique
Comparer les différentes techniques d'obtention des pièces

• Thématique sur le photovoltaïque :
Comprendre et maîtriser les différentes technologies de production d’électricité par effet voltaïque.
Dimensionner une installation photovoltaïque simple

• Thématique sur le rôle des matériaux dans la transformation du monde :
Se familiariser avec le vocabulaire des transformations sociétales et environnementales
Questionner notre rapport au matériau comme technosolution, apporter de la nuance et de la complexité aux problématiques matériaux

• Thématique sur le rôle des matériaux dans l'électromagnétisme
 Comprendre le comportement de certains matériaux selon certaines gammes fréquentielles et leurs applications.

• Kittel C., « Physique de l’état solide », Dunod, 1998.
• Boch P., « Matériaux et processus céramiques », Hermès Science Publications, 2001.
• Haussonne J.-M. et al., « Céramiques et verres, Principes et techniques d’élaboration », Traité des Matériaux, vol 16, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 2005.
• Cornet A.et DEVILLE J.P, « Physique et Ingénierie des surfaces », Monographie de Matériologie, EDP Sciences, 1998.

• BAÏLON JP.et DORLOT JM., Des matériaux, troisième édition, Montréal, Presses Internationales, Polytechnique, 2000. 
• ASHBY MF.et JONES D.R.H., Matériaux volume 1 : Propriétés, applications et conception, troisième édition, Paris, Dunod éditeur, 2008. 
• ASHBY MF.et JONES D.R.H., Matériaux volume 2 : Microstructure et mise en œuvre, Paris, Dunod éditeur, 1991.

• L’électrification solaire photovoltaïque - G. Moine - Obser'ver- Le guide du photovoltaïque
• EDISUNPOWER - DGS (Deutsche Gesellschaft fur Sonnenenergie)
• Le journal des énergies renouvelables SYSTEMES SOLAIRES - Obser'ver

• Bihouix, P., Perriot, V., 2025. L’insoutenable abondance: faut-il croire les prophètes du progrès ?, Tracts. Gallimard, Paris.
• Hache, E., Louvet, B., 2023. Métaux, le nouvel or noir. Éditions du Rocher, Monaco.
• Guillard, V., 2025. Être, faire et avoir: penser la sobriété matérielle par la justice sociale, Système Terre. Actes Sud, Arles.
• ADEME, Prospective Transition 2050-Feuilleton des Matériaux, ISBN: 979-10-297-1945-5

• Thèse de F. Gadot : «Modélisation et caractérisation expérimentale de matériaux à Bandes Interdites Photoniques en Micro-Ondes», IEF, Univ. P11,1999.
• Thèse de T. Brillat : «Définition, réalisation et caractérisation de matériaux à bandes Photoniques Interdites reconfigurables en Micro-ondes», GEA, Univ. P10, 2000.
• Thèse de B. Kanté : «Les métamatériaux, des micro-ondes à l’optique: Théorie et applications»,IEF, Univ. P11,2009.

Polycopiés de cours et TD
Cartes et ressources (livres, podcast à disposition)