Licence d'études fondamentales : PHYSIQUE DES MATERIAUX

•  Comprendre les différents mécanismes de transfert de chaleur et savoir identifier, dans un cas pratique, le ou les modes de transfert de chaleur entrant en jeu.
• Savoir faire un bilan de chaleur et  résoudre les problèmes simples de conduction thermique en régime permanent.
• Savoir calculer les échanges thermiques par rayonnement entre un corps et son environnement.
• Comprendre le fonctionnement et calculer les performances d’un capteur solaire thermique.

Généralités sur les modes de transfert de chaleur

- Conduction thermique monodimensionnelle en régime permanent

- Equation générale de la chaleur

- Cas simples de résolution

- analogie électrique (notions de résistance et circuit thermiques)

Convection thermique

- Coefficient de transfert de chaleur par convection,

- Analyse dimensionnelle et similitude,

- Principales corrélations utilisées pour calculer le coefficient de transfert de chaleur par - -Convection forcée et convection naturelle,

Rayonnement thermique

- Grandeurs radiatives monochromatiques et totales

- Lois d’émission d’un corps noir

- Emission  des corps réels-concept de corps gris

- Réception de rayonnement par un corps : réflexion, absorption et transmission,

- Echange de chaleur par rayonnement entre surfaces

Applications

-Notions sur les échangeurs de chaleur :

-Capteur solaire thermique

Travaux pratiques

1. Conduction thermique
2. Capteur solaire thermique
3. Isolation thermique

Thermodynamique Mécanique des Fluides

Ce module permettra à l’étudiant d'acquérir les notions de base nécessaires sur les  phénomènes de déformations des solides et des fluides qui sont d’une grande importance en mécanique. Les objectifs sont :

• Connaître les concepts fondamentaux :

Les formalismes et les équations de la mécanique des milieux déformables avec des applications aux solides élastiques et aux fluides

• Résoudre des problèmes simples

Cours et Travaux Dirigés

Mécanique des milieux continus solides

Solide,  Pressions, Elasticité des solides

Module de Young,  Loi de Hooke

Module de cisaillement,  Module de glissement, Module de compressibilité, Module de flexion. Ondes transversales dans les solides

Mécanique des fluides :

Généralités sur les fluides et leurs Propriétés

Statique des fluides et applications

Dynamique des fluides parfaits

Dynamique des fluides réels

Notions de Pertes de charge.

Travaux pratiques

Mesure de tension superficielle

Mesure de débit par tube de Venturi

Etude de la flexion simple d’une poutre.

Détermination du module d’Young.

Analyse 3

Analyse 4

L’objectif du cours est de permettre aux étudiants de décrire un nombre macroscopique de constituants microscopiques pour comprendre divers comportements macroscopiques telles que les comportements thermodynamiques : équation d’état, chaleurs spécifiques, susceptibilité magnétique, polarisabilité

Cours et Travaux Dirigés

Rappels de thermodynamique : Energie interne – Entropie – Potentiels thermodynamiques – Gaz parfait. Le monde microscopique. Postulats de la physique statistique. Equilibre thermodynamique. L’ensemble micro canonique : Hypothèses micro canoniques - L’ensemble canonique : Loi de probabilité dans l’ensemble canonique – Propriétés thermodynamiques – Factorisation de Z pour des particules sans interactions. La fonction de partition. Le gaz parfait classique. L’ensemble grand canonique. Notions sur les transitions de phase. Gaz de fermions : Statistiques de Fermi – Dirac. Gaz de bosons : Statistiques de Bose – Einstein.

Thermodynamique

Statistiques descriptive et probabilité

L’objectif est de traiter les aspects principaux de la physique du solide. Ils concernent essentiellement l’étude des propriétés remarquables qu’acquièrent les atomes et les molécules lorsqu’ils sont rangés de façon périodique dans les cristaux. Il est à faire le lien entre les propriétés macroscopiques du solide et des modélisations microscopiques simples, et de présenter les principales techniques expérimentales d’étude des solides.

Structures cristallines :

- Généralités sur la matière condensée : ordres de grandeur, caractérisation phénoménologique

- Cohésion des solides ordonnés : moléculaires, ioniques, covalents, métaux.

- Structures périodiques : réseau de Bravais. Réseau réciproque.

- Sondes expérimentales de l’espace réel : microscopies de champ proche, et de l’espace réciproque : diffraction (RX, neutrons, électrons).

Vibrations des solides ordonnés :

- Approximation harmonique et modes normaux, acoustiques et optiques, quantification des vibrations et conséquences : chaleur spécifique.

- Techniques expérimentales : spectroscopie d’absorption IR, diffusion inélastique de neutrons.

Structure de bandes d’énergie des solides ordonnés et conséquences :

- Approximation de l’électron indépendant ; théorème de Bloch, première zone de Brillouin, bandes d’énergie, surface de Fermi.

- Dynamique d’un électron de Bloch : vecteur k, vitesse de groupe, masse effective.

- Approximations des électrons presque libres ; approximations des liaisons fortes

- Conducteurs, semi-conducteurs et isolants

- Technique expérimentale sondant la surface de Fermi

Transport électronique dans les solides :

- Modèle de Drude, modèle du gaz d’électrons libres, nécessité des collisions, conductivité électrique.

- Métaux : interaction électron-phonon

- Semi-conducteurs : notion de trou, dopage, mobilité, jonction p-n, propriétés optiques.

- Technique expérimentale : effet Hall et magnétorésistance

Travaux Pratiques :

1 – Effet Hall : Mesure de la concentration des porteurs de charges électriques.

2 – Mesure de la conductivité électrique dans les métaux et dans les semi conducteurs.

3 – Etude de la mobilité électrique

4 – Etude de la conductivité thermique dans les matériaux

Mécanique quantique Physique statistique Mathématiques : séries de Fourier

Très utilisés dans l’industrie les laboratoires d’analyses, les techniques d’analyses permettant de caractériser l’état d’intégrité d’une structure dans un matériau sans dégradation, que ce soit au cours de la production, de l’utilisation où de la maintenance. L’enseignement du contrôle non destructif permettra aux étudiants d’apprendre les techniques d’analyse des matériaux et acquérir des connaissances théoriques et pratiques pour répondre aux attentes des industriels.

I- Techniques modernes d’analyse microscopie

Généralités sur les faisceaux - Détecteurs d’électrons secondaires - Aspect physique de la diffraction microscopique - Microanalyse d’ions secondaires : Aspects théoriques -Importance de la préparation des échantillons - Microscopie électronique à balayage : MEB

II- Microscopie à très haute résolution

Principe des microscopies à champs proche - Microscopie  électronique en transmission : MET - Microscopie à force atomique : AFM - Description schématique des appareillages

III- Diffraction des Rayons X

Physique des rayons X - Aspect expérimental - Analyse quantitative

IV- Contrôle Non Destructif

• Généralités
• Règles de l'art

• Contrôle non destructif par ressuage

• Contrôle non destructif par ultrasons

• Contrôle non destructif par radiographie

• Contrôle non destructif par magnétoscopie

• Contrôle non destructif par courants de Foucault
• Contrôle non destructif par émission acoustique

Mini projets :

Démonstrations et réalisation de travaux en laboratoire de façon à mettre en œuvre les notions théoriques et les techniques d’inspection exposées en classe.

Electricité

Propagation des ondes dans un milieu.

Donner à l’étudiant les connaissances de base de la résistance des matériaux et le rendre apte à évaluer le comportement linéaire des corps solides déformables soumis à des sollicitations multiples dans le domaine élastique pour répondre aux problèmes de calculs et de dimensionnement de structures ou systèmes mécaniques simples ou composés.

Le cours a pour objet la détermination des efforts et des déformations qui se développent dans une structure constituée de poutres (ou barres) lorsque celles-ci sont soumises à des sollicitations extérieures. C’est le cas dans de nombreuses constructions : une grue, un pylône haute tension, un pont métallique, un hangar …

En pratique, l’étudiant sera confronté à deux types de problèmes :

• On connaît les efforts extérieurs appliqués à la structure, on cherche alors les dimensions à donner à celle-ci pour que les efforts internes ou les déformations ne dépassent pas une limite définie par avance. C’est le problème du dimensionnement.
• On connaît les efforts extérieurs et les dimensions de la structure, on vérifie alors que les efforts intérieurs et les déformations sont bien inférieurs à une limite définie par avance. C’est le problème de vérification de la stabilité.

Après avoir suivi ce module l’étudiant doit maîtriser la stabilité d’une structure composée d’un assemblage de barres ou de poutres et dimensionner toute structure en fonction des efforts qui lui sont appliqués.

1- Modélisation des liaisons

2- Modélisation des actions mécaniques

3- Etude des contraintes

4- Etude des déformations

5- Relations Contraintes – Déformations : Elasticité 

6- Modèle de la poutre 

7- Effort normal : Traction et Compression

8- Cisaillement

9- Torsion    

10- Flexion plane simple

Travaux pratiques 

1- Essai de traction

2- Essai de flexion

3- Introduction au dimensionnement à l’aide du logiciel solide works.

Mécanique des solides indéformables, Mécanique des milieux continus

Maîtrise des phénomènes physiques liés aux porteurs libres dans les semi-conducteurs. Ces phénomènes sont indispensables à la compréhension du fonctionnement des principaux composants électroniques et optoélectroniques. Ils permettront d’aborder aisément les domaines de l’électronique, des capteurs, de l’instrumentation et de la mesure.

• Eléments de cristallographie
• Etats électroniques dans les semi-conducteurs : structure de bande
• Masse effective des porteurs – notions de trou
• Statistiques des semi-conducteurs homogènes en équilibre
• Semi-conducteur  hors équilibre thermodynamique 
• Equation de continuité – génération recombinaison – durée de vie des porteurs
• La jonction PN à l’équilibre : zone de charge d’espace - tension de diffusion
• La jonction PN polarisée : caractéristique I-V – capacité de diffusion – claquage
• Applications de la jonction PN : Diode à jonction, diode tunnel, diode à avalanche, photodiode, diode électroluminescente,…
• Transistors bipolaires
• Transistors à effet de champ

Travaux Pratiques :

• Effet hall dans un semi-conducteur
• Durée de vie des porteurs dans un semi-conducteur.
• Etude de différentes jonctions PN.
• Transistors.

Mécanique quantique – Physique statistique

Les propriétés macroscopiques des métaux sont étroitement liées aux défauts cristallins, défauts ponctuels, les dislocations, joints de grains et interfaces. L’objectif de ce cours est d’apporter les connaissances de bases nécessaires en métallurgie physique afin de préparer les étudiants aux métiers de la métallurgie ou l’orientation s la formation ou la recherche.

Partie I

1- Cohésion, structure et propriété physique

2- Structure cristalline

3- Equilibres thermodynamiques et diagrammes de phase

4- Les défauts ponctuels

5- La diffusion

6- Dislocations et défauts d’empilement

7- Surfaces et interfaces

Partie II : Classe des matériaux

     1 Les matériaux polymères

     2 Les matériaux céramiques

     3 Les matériaux composites

Travaux Pratiques :

1. Essai de traction d’un acier à la température ambiante
2. Traitement thermique des métaux

Mécanique des milieux continus, thermodynamique

L’objectif de ce module est de fournir à l’étudiant les différents outils de la maintenance industrielle et de leur exploitation dans la gestion et la planification des travaux préventifs (systématiques ou conditionnels) et des travaux correctifs au sein d’un service maintenance. Il s’agira de donner aux étudiants les éléments nécessaires pour mener à terme tout projet de  l’élaboration, de l’exécution et du suivi d’un plan de maintenance. Plus spécifiquement, l’étudiant devra être capable à l’issu de ce module d’analyser les modes de défaillance, leurs Effets et leur Criticité, afin de proposer un plan de maintenance.

L’objectif de ce module est aussi d’acquérir les notions générales concernant les différentes techniques d’élaboration des matériaux.

Procédé d’élaborations des matériaux

Fonction maintenance - objectifs et politiques de maintenance 

Connaissance du matériel et documentation de maintenance   

Dégradation du matériel– fiabilité, Maintenabilité et Disponibilité

Méthodes et outils d’analyse en maintenance 

Préparation, ordonnancement

Travaux Pratiques

TP1 : Travaux d’atelier électroniques :  mini projet (circuits)

TP2 : Travaux d’atelier mécaniques : mini projet (conception et réalisation maquette)

TP3 : Analyse d’huiles

Mécanique. Electronique.

Mathématique. Probabilités

Le Projet de Fin d’Etude est effectué sous forme de stage dans une entreprise, sur une durée de 2 mois, sous l’encadrement d’un enseignant chercheur et d’un responsable de projet au sein de l’entreprise. Le but s’inscrit dans une démarche professionnelle en suscitant un travail de collaboration pour gérer un travail en groupe et un planning. Ceci a pour conséquence de développer des compétences en matière de communication et de développer la créativité et l’autonomie. Les sujets seront développés en concertation avec le milieu industriel et favoriseront, de ce fait, une meilleure adéquation formation secteur sociaux – économiques. Le Projet de Fin d’Etudes sera sanctionné par un rapport suivi d’une soutenance devant un jury composé d’enseignants chercheurs et d’industriels.

L’objectif est de développer chez l’étudiant des capacités de mener à bien des projets au sein des laboratoires d’analyse de contrôle et dans les laboratoires concernés par les matériaux.  Les stages seront effectués sous la tutelle d’un enseignant chercheur et sous la responsabilité d’un professionnel. Ils sont organisés sous forme de projets réalisés par un ensemble de 2 étudiants travaillant en groupe. Le travail sera étalé tout au long de 2 mois. Ils disposeront des moyens matériels adéquats et devront en principe apprendre à échanger des idées, argumenter et développer un sen de civisme et de maturité. L’approche pédagogique employée est la pédagogie active selon la technique de l’Apprentissage Par Problème. Elle permettra une confrontation directe aux problèmes de pratiques professionnelle où la construction du problème constitue l’action recherchée chez l’étudiant. A la fin du PFE, les étudiants seront amenés à présenter les résultats sous forme d’un rapport suivi d’un exposé oral. Les étudiants apprendront à bien communiquer, présenter des résultats, défendre et argumenter des idées et acquérir une confiance en soi.