Types de matériaux

Format
Sujets
Parlons sciences
Lisibilité
7.7

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Descriptions et propriétés de matériaux courants comme le bois, les métaux, les céramiques, le verre, les plastiques, les textiles, le cuir, le papier et le carton, ainsi que le caoutchouc.

Tout ce que nous fabriquons est fait à partir d’un ou de plusieurs matériaux. Des matériaux différents possèdent différentes propriétés. En raison de ces différentes propriétés, les matériaux peuvent être utilisés dans la fabrication de toutes sortes d’objets. Les matériaux peuvent être mous ou durs. Ils peuvent être flexibles ou rigides. Ils peuvent être fragiles ou très solides. Jetons un coup d’œil à quelques exemples de matériaux différents.

Le bois

Le bois peut être classé comme du bois dur ou du bois tendre (parfois appelé bois mou).

Le bois dur provient de feuillus (ou arbres à feuilles caduques). Ce sont des arbres qui perdent leurs feuilles à l’automne. Le bois dur est habituellement utilisé dans la fabrication de meubles et dans des projets de construction qui doivent durer longtemps. Le chêne, l’érable et le noyer sont des exemples de bois dur.

Le bois tendre provient de conifères (ou arbres à feuillage persistant). Les conifères sont des arbres qui conservent leurs aiguilles toute l’année. La plupart du bois d’œuvre, ou bois préparé pour la construction, est fabriqué à partir de conifères. Le bois tendre est généralement utilisé dans différentes parties des bâtiments, comme l’ossature des murs. Il est aussi utilisé dans certains types de meubles. Le pin, le sapin et l’épinette sont des exemples de bois tendre.

Attention aux fausses idées!

Les termes « bois dur » et « bois tendre » ne réfèrent pas à la dureté du bois d’un arbre. Ces termes renvoient au mode de reproduction des arbres. Les conifères (bois tendre) se reproduisent à partir de graines protégées dans des cônes. Les feuillus (bois dur) se reproduisent à partir de graines issues d’un fruit ou d’une fleur.

Différents types d’arbres produisent du bois ayant différentes propriétés. Mais tous les types de bois possèdent certaines caractéristiques physiques communes. D’abord, le bois est solide. Sa solidité dépend de son grain. Le grain désigne l’orientation naturelle de la croissance des fibres dans le bois. Le bois est très résistant à la compression lorsque la force est appliquée dans le sens du grain. Mais il peut facilement casser lorsque la force est appliquée contre le grain.

Le bois a aussi une relation intéressante avec l’eau. Il s’agit d’un matériau qui a une très grande flottabilité. Cela signifie qu’il peut flotter. C’est pourquoi le bois est souvent utilisé dans la fabrication des navires et des bateaux. Mais le bois est aussi hygroscopique. Cela veut dire qu’il peut absorber l’eau. Certains types de bois peuvent absorber et contenir une grande quantité d’eau. Il est important de tenir compte de cette caractéristique dans le choix du bois pour un projet. Si le bois contient trop d’eau, il pourrait éventuellement pourrir. Lorsque le bois pourrit, il se décompose.

Le savais-tu? 

Le bois de balsa est l’un des bois les plus légers et les moins denses, mais il est techniquement considéré comme un bois dur parce que les arbres dont il provient produisent des graines!

Essences de bois
Le grain de différents types de bois (Source: Anonimski via Wikimedia Commons).

 

Les métaux

Les métaux sont l’un des matériaux les plus couramment utilisés dans l’industrie manufacturière et de la construction. Parmi les exemples de métaux, on compte le fer, l’aluminium, le cuivre, le zinc, l’étain et le plomb. De nombreux métaux que nous utilisons aujourd’hui sont des alliages. Les alliages sont obtenus par la combinaison d’au moins deux métaux. Les alliages peuvent aussi être faits d’un métal combiné à un matériau non métallique. Des alliages sont fabriqués afin de donner au métal de nouvelles caractéristiques, comme une plus grande dureté ou résistance. L’acier, par exemple, est un alliage contenant du fer et une petite quantité de carbone. 

Tous les métaux partagent ces trois principales caractéristiques :

  • Lustre : ils brillent lorsqu’ils sont coupés ou rayés.
  • Malléabilité : bien qu’ils soient solides, ils peuvent être pliés ou mis en forme avec la bonne quantité de chaleur et de force.
  • Conductivité : ils conduisent la chaleur et l’électricité.

Mais chaque métal a des propriétés différentes. Les métaux et les alliages métalliques sont souvent choisis pour des objets en fonction de leurs propriétés. De nombreux types de métaux sont utilisés dans les objets domestiques, allant du cuivre à l’acier, et même l’or!

Objets en métal
Dans le sens des aiguilles d’une montre, en partant du coin supérieur gauche : marteau, clés, vis, cadenas et clé en acier, couverts en argent, poêle en fer, canette de boisson gazeuse en aluminium, arrosoir en étain, robinet en laiton, bague en or, théière en cuivre.

(Parlons sciences utilisant des images de Johanna Pakkala via Pixabay, de Pashminu Mansukhani via Pixabay, de Momentmal via Pixabay etvia Pixabay, de Lebazele via iStockphoto, de danielsbfoto via iStockphoto, de Stable007 via iStockphoto et de GaryTalton via iStockphoto).

Bon nombre de métaux sont susceptibles de corroder. La corrosion est une réaction chimique dans laquelle le métal réagit avec l’oxygène. Parfois, ce processus est bénéfique parce qu’il renforce le métal. Mais lorsque le fer et l’acier réagissent avec l’oxygène, il se forme de la rouille. La corrosion peut finir par décomposer entièrement les métaux ferreux en rouille.

Les céramiques

Les céramiques sont souvent définies par ce qu’elles ne sont pas. Ce sont des solides non métalliques et inorganiques. Cela signifie qu’elles ne sont pas faites de métal, de bois, de plastique ou de caoutchouc. Elles sont fabriquées à partir d’argile, de sable et d’autres matériaux naturels cuits à des températures très élevées.

Les briques, les tuiles et le béton sont quelques exemples de céramiques. Les matières céramiques sont employées dans la fabrication d’une foule d’objets, allant des maisons dans lesquelles nous vivons aux marmites dans lesquelles nous cuisinons de la nourriture, en passant par les implants dentaires pour nos dents. Elles servent même à la fabrication des tuiles isolantes sur les navettes spatiales! Le verre (voir ci-dessous) est aussi une céramique. Les céramiques se trouvent donc partout autour de toi et tu ne le sais peut-être pas!

Voici les principales propriétés des céramiques :

  • Elles sont généralement dures.
  • Elles sont résistantes à la chaleur : leur point de fusion est très élevé.
  • Elles sont résistantes à la corrosion chimique.
  • Elles ne conduisent ni la chaleur ni l’électricité : elles sont donc de bons isolants.

Certains types de céramiques, comme le verre et la porcelaine, peuvent aussi être fragiles (elles peuvent se briser facilement). Néanmoins, elles peuvent durer très longtemps.

Objets de porcelaine
De gauche à droite : pots en porcelaine avec couvercles, poupées à tête en porcelaine et dents en porcelaine. (Parlons sciences utilisant des images de Loamaresort [CC BY-SA] via Wikimedia Commons, de JohnGollop via iStockphoto et de seb_ra via iStockphoto.)

 

Le verre

Le verre est l’un des matériaux les plus polyvalents que l’humain ait créés. Le verre est principalement composé de sable, qui est constitué de dioxyde de silicium. Lorsque le sable est chauffé à très haute température (autour de 1700 °C), il devient liquide. Lorsqu’il se refroidit à nouveau, il subit une transformation complète et devient un solide clair. 

Le verre que nous connaissons le plus de nos jours est appelé verre de silicate sodocalcique. Il est principalement composé de sable, mais il contient aussi d’autres ingrédients. La cendre de soude, qui est constituée de carbonate de sodium, réduit le point de fusion du sable. Le sable n’a donc pas besoin d’être chauffé à une température aussi élevée pour devenir liquide. Mais la cendre de soude rend aussi le verre hydrosoluble. Cela signifie qu’elle peut se dissoudre dans l’eau! De la pierre à chaux, ou carbonate de calcium, est ajoutée pour empêcher que cela se produise.

Lorsque le mélange de verre liquide est un peu refroidi, il peut être utilisé de nombreuses manières différentes. Il peut être versé dans un moule pour créer des objets comme des bouteilles ou des ampoules. Il peut aussi être « flotté » afin de créer des feuilles (ou plaques) parfaitement polies qui deviendront des fenêtres ou des miroirs. On laisse ensuite le mélange refroidir et devenir solide.

Voici les principales propriétés du verre :

  • Transparence : tu peux voir au travers.
  • Résistance à la chaleur : il ne fond pas facilement.
  • Dureté : il résiste au bris.

Tu pourrais penser que le verre n’est pas particulièrement résistant. Mais les objets que tu connais bien, comme les ampoules et les verres à eau, sont faits de pièces de verre très minces. Si tu avais une pièce de verre très épaisse (comme une brique faite de verre), elle serait très résistante!

Lorsque les gens fabriquent des objets de verre, ils peuvent ajouter divers ingrédients pour donner de nouvelles propriétés au verre. Par exemple, les verres qui résistent à la chaleur comme ceux en Pyrex, ou la vaisselle utilisée en laboratoire contiennent de l’oxyde de bore. Le verre employé dans la fabrication d’objets décoratifs en cristal, comme les vases et les figurines, contient de l’oxyde de plomb. Cela permet de le couper plus facilement. Les vitraux ou le verre coloré comportent différentes couleurs parce que des métaux sont ajoutés pendant que le verre est sous forme liquide!

Objets de verre
Dans le sens des aiguilles d’une montre, en partant du coin supérieur gauche : tasse à mesurer en Pyrex, billes, vase d’Erlenmeyer, cheval de verre, loupe, lunettes, ampoule et vitrail.

Dans le sens des aiguilles d’une montre, en partant du coin supérieur gauche : tasse à mesurer en Pyrex, billes, vase d’Erlenmeyer, cheval de verre, loupe, lunettes, ampoule et vitrail. (Parlons sciences utilisant des images de NoDerog via iStockphoto, de Ekely via iStockphoto, de ThomasVogel via iStockphoto, de Laurenty via iStockphoto, de AnthiaCumming via iStockphoto, de Olga_sweet via iStockphoto, de KenDrysdale via iStockphoto et de Eugenesergeev via iStockphoto.)

Les plastiques

Les plastiques se présentent sous différentes formes. Ils sont utilisés dans la fabrication d’une vaste gamme de produits. Les molécules du plastique forment de longues chaînes. On appelle ces molécules (composées de la répétition de plusieurs sous-unités) des polymères.

Le savais-tu? 

Le mot « plastique » vient du grec « plastikos » qui signifie « qui peut être formé ».

La plupart des plastiques sont des thermoplastiques ou des plastiques thermodurcissables. Les thermoplastiques sont chauffés puis mis en forme dans des moules. Ils peuvent être chauffés à nouveau plus tard et remodelés. La majorité des bouteilles de plastique sont faites de thermoplastique. Les plastiques thermodurcissables peuvent être chauffés et modelés une seule fois. Les plastiques thermodurcissables servent à fabriquer des choses comme des isolants électriques, de la vaisselle jetable et des pièces automobiles.

Les plastiques possèdent de nombreuses propriétés utiles. Ils sont :

  • généralement faciles et peu coûteux à fabriquer;
  • solides et durables;
  • résistants à l’électricité et à l’eau;
  • résistants à de nombreux types de corrosion chimique.

Mais cette durabilité et cette résistance aux dommages peuvent aussi s’avérer problématiques. La décomposition des plastiques peut prendre énormément de temps. Les bouteilles de plastique prendront environ 450 années pour se décomposer. Les sacs d’épicerie en plastique peuvent prendre jusqu’à 10 000 ans! C’est pourquoi il est si important de recycler les plastiques. Les thermoplastiques sont recyclables, mais les plastiques thermodurcissables ne le sont pas. Lorsque c’est possible, il vaut mieux choisir les thermoplastiques plutôt que des plastiques thermodurcissables pour que le plastique ait une deuxième vie après son utilisation.

Objets de plastique
Assortiment d’objets en plastique qui comprend un bol, une bouteille de plastique, un verre, du matériel d’emballage, un sac, des ustensiles, une seringue, un disque compact (CD), une calculatrice, du ruban adhésif, une épingle à linge et une minuterie de cuisine. (Source : Cjp24 [domaine public] via Wikimedia Commons.)

Les textiles

À l’origine, le mot « textile » référait aux étoffes tissées (ou tissus). De nos jours, il englobe normalement l’ensemble des fibres, des fils et des étoffes. Les textiles peuvent être composés de matières naturelles comme la laine et le coton, ou de matières synthétiques comme le polyester. Les textiles sont utilisés dans la fabrication de vêtements, de tapis et de nombreux autres produits. 

Le savais-tu? 

Les plus anciens textiles produits remontent à environ 5000 ans avant notre ère. Certaines des plus anciennes formes de production de textiles incluent la fabrication de filet et le tissage de paniers.

Les textiles sont constitués de nombreux éléments minuscules appelés « fibres ». Les fibres textiles doivent posséder des propriétés précises pour être tissées ou transformées directement en étoffes. Elles doivent être solides, flexibles, élastiques et durables. Les fibres qui possèdent ces propriétés peuvent être transformées en fils et en étoffes qui auront des propriétés semblables.

Mais les fibres n’ont pas toutes les mêmes propriétés. Certaines sont plus chaudes, d’autres sont plus durables et d’autres encore sont plus douces ou plus confortables. Parfois, il faut un mélange de fibres pour obtenir les propriétés désirées dans un produit textile fini!

Textiles
Une variété de textiles qui comprend notamment du coton à gauche, ainsi que de la soie et de la rayonne à droite. (Source : oonal via iStockphoto.)

Le cuir

Le cuir traditionnel est fait de peaux d’animaux. Le cuir synthétique, ou similicuir, est un produit manufacturé. Le cuir est utilisé pour fabriquer toutes sortes de choses, qu’il s’agisse de sièges de voiture, de meubles, de ballons de football ou de sacs à main. Il est durable et présente un fini naturel. Ces propriétés sont difficiles à recréer avec des matières synthétiques.

Le savais-tu? 

Près de 65 % du cuir provient de la vache. L’autre 35 % est principalement issu du mouton, du porc et de la chèvre.

Le cuir de vache est souvent utilisé pour fabriquer du cuir traditionnel. Il est épais et durable, et sert souvent dans la confection de vestes, de manteaux et de meubles. La peau de mouton est généralement tannée avec sa douce laine toujours attachée à la peau. Elle est souvent employée pour fabriquer des vestes, des tapis et des pantoufles. La peau de porc donne un cuir confortable et imperméable. Celui-ci est utilisé dans la fabrication de souliers, de gants et de certains équipements de sport. La peau de chèvre est très douce et malléable. On s’en sert souvent pour confectionner des sacs, des gants ou des tapis. La peau d’autres animaux, comme les serpents, les alligators, les crocodiles, les autruches et même les poissons, peut aussi servir à fabriquer du cuir.

Le similicuir est généralement composé d’un mélange de fibres naturelles et de fibres synthétiques enrobées d’un polymère de plastique. Ce matériau reproduit les propriétés du cuir véritable. Comme le cuir véritable, le similicuir est doux au toucher et imperméable. Bien qu’il ne soit pas aussi durable que le cuir traditionnel, le similicuir est difficile à couper ou à déchirer. Ainsi, il est souvent utilisé dans la fabrication de meubles.

Le cuir traditionnel soulève des questions éthiques puisque c’est un produit animal. Toutefois, comme les cuirs traditionnels sont faits de matières naturelles, ils sont biodégradables, ou se décomposent naturellement. Le similicuir se comporte davantage comme le plastique et sa décomposition prend énormément de temps.

Objets en cuir
Dans le sens des aiguilles d’une montre, en partant du coin supérieur gauche : des livres à reliure en cuir, des manteaux en cuir et en peau de mouton, des sacs et des ceintures en peau d’alligator, et des bottes en peau de serpent. (Parlons sciences utilisant des images de Nic McPhee [CC BY-SA 2.0] via Wikimedia Commons, de Sekmous [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons, de Sergeyryzhov via iStockphoto et de Photovideostock via

Le papier et le carton

Le papier est un matériau important que de nombreuses personnes utilisent chaque jour. Qu’il s’agisse de lire les journaux, de dessiner ou d’emballer des cadeaux, tu ne te rends peut-être pas compte à quel point tu te sers du papier. Le papier peut aussi servir à la fabrication d’autres matériaux, comme le carton.

Le papier est fabriqué à partir d’un matériau appelé pulpe. La pulpe est faite d’un mélange de fibres de bois et d’eau. Ces fibres proviennent généralement de conifères comme l’épinette et le pin. Pour faire du papier, on coupe des arbres et on en retire l’écorce. Le bois est ensuite broyé en petits morceaux et mélangé avec de l’eau pour créer la pulpe. Ensuite, la pulpe est traitée chimiquement puis pressée à plat et séchée.

Usine de pâte et papier
Cette usine fabrique du papier et du carton à partir de papier recyclé dans cette machine à papier Fourdrinier. (Source : orenosoppelsa via iStockphoto.)

 

Le carton est composé de plusieurs couches de papier combinées. Le carton ondulé est constitué de deux feuilles de papier à plat comprenant, au centre, une troisième feuille de papier ondulée ou pliée en forme de vague entre les couches externes. Le produit fini est rigide, solide et très léger. Ce carton peut être plié et collé pour créer des boîtes ou d’autres matériaux d’emballage.

Le caoutchouc

Il existe deux principaux types de caoutchouc : le caoutchouc naturel et le caoutchouc synthétique. Le caoutchouc naturel est fabriqué à partir de latex produit par des plantes. Le caoutchouc synthétique est composé d’un mélange de produits chimiques. Le caoutchouc synthétique possède de nombreuses caractéristiques semblables à celles du caoutchouc naturel. Il peut être utilisé dans les pneus, les tuyaux, les ceintures, les revêtements de plancher, etc.

Objets en caoutchouc
Dans le sens des aiguilles d’une montre, en partant du coin supérieur gauche : des pneus de voiture, des balles rebondissantes, une gomme à effacer, une balle de bandes élastiques, des bottes, des ballons, des gants chirurgicaux.

(Sources : urfinguss via iStockphoto, wolv via iStockphoto, Floortje via iStockphoto, subjug via iStockphoto, kgfoto via iStockphoto, Liliboas via iStockphoto et APCortizasJr via iStockphoto.)

Le savais-tu?

Si tu as déjà cueilli un pissenlit, tu as peut-être déjà vu le liquide blanc laiteux à l’intérieur de la tige. C’est du latex!

Près de 99 % du caoutchouc naturel dans le monde est fait à partir du latex d’une plante nommée Hevea brasiliensis. Cette plante est communément appelée « arbre à caoutchouc ». Le latex subit un certain nombre de processus différents pour devenir le matériel polyvalent et élastique que nous considérons comme du « caoutchouc ». Il est d’abord réduit en petits morceaux, puis des produits chimiques y sont ajoutés. Ensuite, il est compressé et étiré, puis cuit à une température d’environ 140°C pour qu’il conserve sa forme. Le produit final est solide, extensible, élastique, durable et imperméable. Il peut servir à la fabrication de produits allant des gommes à effacer aux souliers de course, jusqu’aux combinaisons de plongée!

 

En savoir plus

Les matériaux qui nous entourent (2017)
Cette vidéo (6 min. 39 s.) de l’Esprit Sorcier présente les différents types de matériaux.

Les matériaux - comment ils sont fabriqués et usinés
Ce Wakelet offre une panoplie de vidéo sur les différents processus de fabrication impliquant les matériaux cités dans l’article.

La fabrication du verre en 5 étapes (2019)
Cet article de Futura sciences explique les cinq étapes pour fabriquer du verre.

Essences de bois : Différences et utilisation (2020)
Cet article de Woodoo Time énumère les différentes essences (espèces d’arbres) de bois, leurs caractéristiques et utilisations.

 

Références

Home Science Tools. (n.d.). Learn all about the properties of metals.

Made How. (n.d.). Corrugated cardboard.

Woodford, C. (2019). Rubber. Explain that Stuff.