Qu'est-ce que la caractérisation des matériaux ?

Dans tout dispositif physique, il est essentiel de comprendre les matériaux utilisés aux fins de tout projet de développement de produits. Ce processus, appelé « caractérisation des matériaux », consiste en une mesure systématique des propriétés physiques, de la composition chimique et de la microstructure d'un matériau. 

Les ingénieurs et les scientifiques spécialisés dans les matériaux ont recours à un large éventail de techniques d'analyse et de procédures d'essai afin d'obtenir des informations exploitables pour orienter les choix de conception, favoriser une simulation précise et appuyer les enquêtes médico-légales. Les techniques de caractérisation peuvent être classées en deux catégories. La première est la microscopie, qui fait appel à divers appareils pour observer les structures atomiques, moléculaires et cristallines. La seconde est l'essai macroscopique, qui consiste à mesurer les caractéristiques globales du matériau. 

Le comportement d'un matériau est fondamentalement déterminé par les éléments qui le composent et par leur disposition aux échelles microscopique et macroscopique. Ce comportement est essentiel car il détermine les performances et la robustesse du produit. Bien qu'il existe des normes représentant la configuration idéale d'un matériau, les variations liées au traitement et les effets de la fabrication peuvent entraîner des écarts qui modifient les performances du matériau. La caractérisation des matériaux permet de mettre en évidence ces écarts et de déterminer des détails allant au-delà des normes.

Voici quelques-uns des avantages les plus marquants de ce domaine essentiel de la science des matériaux :

Stimuler l'innovation en matière de nouveaux matériaux

Une compréhension approfondie des liaisons des polymères, de la structure cristalline des métaux ou de la perméabilité magnétique d'un nouvel alliage peut conduire les chercheurs à mettre au point de nouvelles formulations et de nouveaux procédés de synthèse des matériaux. 

Orienter le choix des matériaux

Plutôt que d'effectuer des essais et des erreurs avec des prototypes coûteux, la compréhension des caractéristiques d'un matériau aide les ingénieurs à sélectionner le matériau le mieux adapté à leurs applications les plus exigeantes.

Fournir des propriétés aux fins de la simulation

La précision des prototypes virtuels dépend de la qualité des données d'entrée fournies au modèle. Des propriétés de matériaux précises et détaillées permettent de mener des simulations à grande échelle afin de stimuler le développement de produits et d'améliorer la compréhension de leurs performances. 

Apporter un éclairage sur les défaillances ou les performances médiocres

Lorsqu'un produit présente des performances médiocres ou subit une défaillance, l'étape suivante consiste à en comprendre les causes. Une analyse médico-légale incluant la caractérisation des matériaux peut permettre de mieux cerner les causes profondes et d'orienter les changements nécessaires. Lorsque les défaillances donnent lieu à des procédures judiciaires, une caractérisation adéquate des matériaux peut déterminer l'issue du litige. 

Définir les limites d'application

Les produits sont conçus pour répondre à des spécifications précises. Cependant, les variations de la structure et des propriétés de matériaux peuvent augmenter ou réduire la durée de vie ou la plage de fonctionnement d'un produit. La connaissance de ces variations, associée à des simulations et à des essais, permet de déterminer les plages de fonctionnement acceptables.

Les applications liées à la caractérisation des matériaux sont aussi variées que les caractéristiques qui peuvent être mesurées. Un laboratoire de caractérisation des matériaux bien équipé peut tout mesurer, de la disposition des atomes dans une couche mince déposée sur une plaquette de semi-conducteur à la dureté de surface d'une céramique.

Cependant, les mesures les plus courantes portent sur la composition des matériaux, leur structure microscopique et leurs propriétés physiques. Ces trois éléments peuvent être combinés pour obtenir un maximum d'informations, comme c'est le cas pour la caractérisation des matériaux dans le cadre des applications liées à la fiabilité électronique.

Composition des matériaux

La composition chimique d'un matériau est un facteur déterminant de ses performances. Quelques atomes d'aluminium dans un alliage de titane peuvent modifier radicalement la rigidité et la limite d'élasticité. Il est courant de mesurer la composition atomique d'un alliage en cours de développement ou de production à l'aide d'un spectromètre adapté.

Les techniques de spectroscopie et de diffraction peuvent également être utilisées pour déterminer la structure de cette composition. Des mesures telles que la position des différents atomes d'un cristal ou la longueur de réticulation des polymères sont nécessaires pour appréhender le comportement global du matériau. Il est également possible d'utiliser différents types de microscopes, associés à des agents de contraste, pour déterminer la composition.

Structure microscopique

Les propriétés d'un matériau dépendent également de sa structure microscopique. Dans les métaux, la topologie cristalline détermine de nombreuses propriétés mécaniques et électriques. La disposition des différents cristaux et la géométrie de la frontière entre les cristaux, c'est-à-dire la structure des grains, constituent une autre caractéristique importante du matériau au niveau microscopique. La taille et la structure des grains sont des facteurs déterminants de la résistance à la fatigue et de la limite d'élasticité.

Les microscopes optiques et électroniques sont les outils les plus couramment utilisés pour mesurer les structures microscopiques. Les techniques de diffraction peuvent également s'avérer utiles pour examiner l'intérieur des matériaux. Les résultats sont généralement présentés sous forme d'image qui aide les scientifiques spécialisés dans les matériaux à comprendre la composition interne de ces derniers.

Propriétés physiques

Outre les scientifiques spécialisés dans les matériaux, la plupart des ingénieurs s'intéressent aux propriétés physiques qui résument le comportement mécanique, thermique, électrique et électromagnétique global d'un matériau, indépendamment de sa géométrie. Les grandeurs telles que le module d'Young, le coefficient de Poisson, la densité, la perméabilité électromagnétique, la conductivité thermique, la ténacité à la rupture, la rugosité de surface et la résistivité électrique sont couramment utilisées dans les calculs manuels et les simulations.

Les essais de propriétés physiques sont réalisés à l'aide de divers appareils courants, tels que des machines d'essai de contrainte-déformation, des thermocouples, des compteurs électriques et des sondes de champ électromagnétique (EMF). La plupart des propriétés font l'objet d'essais standard définis par des organismes de réglementation, afin que tout laboratoire effectuant un essai obtienne les mêmes résultats.

Caractérisation des matériaux pour les applications de fiabilité électronique

L'application de la caractérisation des matériaux au domaine de la fiabilité électronique en est un excellent exemple. Il s'agit d'un domaine où la mesure de la composition des matériaux, de leur structure microscopique et de leurs propriétés physiques est combinée pour aider les ingénieurs à développer des boîtiers électroniques, qu'il s'agisse d'un capteur de l'Internet des objets sur un circuit flexible ou d'une carte mère multiprocesseur. 

Les assemblages électroniques sont composés de dizaines, voire de centaines de pièces différentes, toutes constituées de plusieurs matériaux. Au cours de la fabrication et sur le terrain, ces composants sont soumis à des variations de température, des chocs, des vibrations, des flexions, des champs électromagnétiques, de l'humidité et parfois à des rayons UV. Et toutes ces valeurs doivent être mesurées au fil du temps. 

L'objectif de ce volet de la caractérisation des matériaux, appliqué aux services d'ingénierie de fiabilité, est de comprendre et d'améliorer la fiabilité du système en procédant à la caractérisation électrique, mécanique et de fiabilité des composants électroniques ainsi que des cartes de circuits imprimés souples ou rigides sur lesquelles ces composants sont montés. 

La plupart des fournisseurs ne communiquent pas ces informations ; ce type d'essais fait donc généralement partie intégrante du processus de développement de produits. 

Que vous effectuiez des analyses de matériaux dans une université publique ou dans un laboratoire de caractérisation des matériaux d'entreprise, l'objectif est le même : utiliser des équipements d'essai pour mesurer une propriété physique, la composition ou la géométrie interne d'un matériau.

Le tableau suivant répertorie les processus de caractérisation les plus courants et les informations qu'ils permettent d'obtenir.

Bien que la caractérisation des matériaux soit une branche bien établie de la science des matériaux, mise à profit quotidiennement dans le milieu universitaire et l'industrie, son utilisation efficace se heurte encore à des défis importants. Bon nombre de ces défis sont liés à la physique avancée et aux équipements sensibles utilisés pour effectuer des mesures à l'échelle atomique ou microscopique. La mesure macroscopique des propriétés de matériaux peut également s'avérer difficile ou coûteuse lorsqu'elle n'est pas mise en œuvre correctement.

Voici une liste des sept défis les plus courants.

1. Coûts d'investissement

La complexité des équipements et des capteurs rend coûteux bon nombre des appareils nécessaires à la caractérisation des matériaux. De plus, les infrastructures requises, telles que les salles blanches, les gaz purs, les pompes à vide, etc., entraînent des coûts initiaux considérables avant même qu'un seul essai ne soit effectué. Le recours à un partenaire externe ou à des ressources universitaires peut permettre de réduire les dépenses d'investissement.

2. Adéquation entre les informations requises et les techniques de caractérisation

Qu'il s'agisse de développer un nouveau matériau ou de réaliser une analyse médico-légale sur une pièce défectueuse, l'un des défis courants consiste à identifier les méthodes de caractérisation qui fourniront des informations exploitables. Consultez un expert afin de collaborer avec les équipes chargées des matériaux, des produits ou de l'assurance qualité pour définir l'analyse appropriée.

3. Variabilité des matériaux

La plupart des processus de production de matériaux entraînent un certain niveau de variabilité dans les caractéristiques que vous souhaitez mesurer. Cela nécessite souvent un échantillon de grande taille pour chaque analyse, ce qui augmente les coûts et allonge les délais d'exécution. Une bonne compréhension préalable de la variabilité, associée à des techniques statistiques appropriées, peut contribuer à limiter la taille des échantillons.

4. Interprétation des résultats

Les résultats de la plupart des analyses de caractérisation des matériaux ne se résument pas à un simple chiffre. Il s'agit souvent d'un ensemble de données qui nécessite une analyse statistique et une synthèse. Par ailleurs, de nombreuses techniques de microscopie génèrent un grand nombre d'images qui doivent être interprétées par des experts. Dans les deux cas, des experts doivent prendre le temps d'évaluer et d'interpréter les résultats. Ces experts doivent également être capables de traduire ces résultats en informations exploitables.

5. Capacités limitées de chaque technique

L'une des raisons pour lesquelles il existe tant de technologies différentes pour la caractérisation des matériaux tient au fait que la plupart d'entre elles ont un champ d'application très restreint. Elles peuvent ne fonctionner que sur des nanomatériaux ou sur des échantillons minces, ou ne mesurer que les champs électromagnétiques dans une certaine plage de fréquences. Cela signifie qu'il est nécessaire de recourir à plusieurs techniques pour caractériser complètement un matériau. La meilleure façon d'atténuer l'impact de ce défi consiste à hiérarchiser les analyses nécessaires et à limiter les évaluations au strict nécessaire.

6. Délais d'exécution longs

Bon nombre de ces techniques nécessitent une préparation d'échantillons fastidieuse, des processus d'essai longs et une interprétation par des experts. Cette situation, associée à un éventuel retard de production sur un appareil particulier, entraîne des délais d'exécution longs, de l'ordre de plusieurs semaines, voire de plusieurs mois. Une bonne planification et une bonne gestion des ressources peuvent limiter l'impact sur le calendrier.

7. Classification, stockage, récupération et transfert des caractéristiques des matériaux

Les technologies de caractérisation des matériaux génèrent un volume important de données qui doivent être correctement classées, stockées dans un emplacement accessible, récupérées rapidement et transférées à d'autres utilisateurs si nécessaire. Un ensemble de procédures adéquates et un système complet de gestion des données sur les matériaux doivent être mis en place pour gérer vos informations sur les matériaux.

Il est facile de considérer comme acquis le fait de bien comprendre les matériaux sur lesquels on effectue des recherches, que l'on choisit ou que l'on utilise en production. Ceci est particulièrement vrai pour les informations sur les matériaux des composants achetés auprès de fournisseurs. Prendre le temps d'identifier, de collecter et d'utiliser ces informations essentielles doit faire partie intégrante des processus de développement et de gestion du cycle de vie des produits.

Fournir les solutions et les services adaptés à la caractérisation des matériaux peut conférer à une entreprise ou à un organisme de recherche un avantage concurrentiel considérable. Bien que cela soit important, il n'est pas toujours pratique de développer et de maintenir en interne des capacités complètes dans ce domaine. C'est pourquoi il est essentiel de trouver le bon partenaire pour vos solutions et services de caractérisation des matériaux.

Dans le cadre de ses services d'ingénierie de fiabilité, Ansys propose des services de caractérisation des matériaux de premier ordre. Cette équipe expérimentée est en mesure de réaliser des caractérisations électriques, mécaniques et de fiabilité. Ansys étant le leader mondial de la simulation, notre équipe sait comment obtenir les informations pertinentes pour piloter vos processus de développement de produits basés sur la simulation ou d'analyse des défaillances.

Ressources connexes