Les familles de matériaux
Familles de matériaux : métaux, plastiques, céramiques, composites et leurs propriétés.
Introduction
Le choix du matériau est une étape cruciale dans la conception d'un objet technique. Au Brevet, tu dois connaître les grandes familles de matériaux, leurs propriétés caractéristiques et savoir justifier le choix d'un matériau en fonction du cahier des charges. Les enjeux environnementaux liés aux matériaux sont aussi régulièrement évalués.
Points clés à retenir
- Métaux et alliages : conducteurs (électricité et chaleur), résistants, recyclables (acier, aluminium, cuivre)
- Plastiques (organiques) : légers, isolants, moulables, mais issus du pétrole et polluants (PET, PVC, ABS)
- Céramiques : très durs, résistants à la chaleur, fragiles (verre, porcelaine, briques)
- Composites : association de 2+ matériaux pour combiner leurs propriétés (fibre de carbone + résine)
- Matériaux organiques naturels : bois, cuir, coton, laine (renouvelables, biodégradables)
- Propriétés : dureté, résistance mécanique, conductivité, densité, recyclabilité, coût
Formules essentielles
Propriétés requises + Contraintes (coût, masse, environnement) → Matériau adaptéMatrice (résine, ciment) + Renfort (fibres de verre, carbone, acier)Métaux > Verre > Plastiques (selon le type) > Composites (difficile)ρ = m / V (en kg/m³ ou g/cm³)Exemples résolus
Justifier le choix de l'aluminium pour le cadre d'un vélo de course plutôt que l'acier.
L'aluminium est choisi car : densité plus faible (2700 kg/m³ vs 7800 kg/m³ pour l'acier) → vélo plus léger. Bonne résistance mécanique suffisante pour l'usage. Résistant à la corrosion (couche d'oxyde protectrice). Recyclable à 100%. Inconvénient : coût plus élevé que l'acier et moins rigide.
Un fabricant hésite entre le PVC et le bois pour des fenêtres. Comparer les deux matériaux.
PVC : bon isolant thermique, pas d'entretien, durée de vie 30-50 ans, issu du pétrole (non renouvelable), recyclable mais complexe. Bois : excellent isolant, renouvelable, esthétique, biodégradable, nécessite entretien (peinture, lasure), durée de vie variable selon essence et entretien. Choix selon priorité : environnement → bois certifié FSC ; entretien minimal → PVC.
Expliquer pourquoi la fibre de carbone est utilisée en Formule 1 mais pas dans les voitures de série.
La fibre de carbone (composite) offre un rapport résistance/masse exceptionnel : 5× plus résistante que l'acier pour 2× plus légère. En F1, la performance prime sur le coût. Pour les voitures de série, le coût de fabrication est trop élevé (50 à 100× le prix de l'acier), la réparation est impossible (remplacement obligatoire), et le recyclage est très difficile.
Erreurs fréquentes à éviter
- ✗Confondre matériau (la matière : acier) et matériel (l'objet : un tournevis)
- ✗Penser que tous les plastiques sont recyclables (seuls certains le sont : PET, PEHD)
- ✗Oublier que les composites sont très difficiles à recycler (mélange de matériaux)
- ✗Ne considérer qu'une seule propriété pour justifier un choix de matériau (il faut croiser plusieurs critères)
