Ressources · 5ᵉ · Technologie
Matériaux : les grandes familles et leurs propriétés
Les familles de matériaux et leur matière première (métaux et alliages, plastiques, organiques naturels, céramiques et verre, composites) ; identifier les matériaux d’un objet ; conducteurs, isolants et matériaux attirés par l’aimant ; propriétés et choix d’un matériau ; ressources, tri et recyclage
À propos de cette page
Les familles de matériaux et leur origine
Une gourde, un vélo, un smartphone : chaque objet est fait de matériaux choisis pour ce qu’ils savent faire. En 6e, tu as appris à reconnaître les matériaux usuels et à les tester ; en 5e, on les range en grandes familles et on remonte jusqu’à leur origine.
Rappel de 6e : l’objet et son matériau
L’objet, c’est la chose fabriquée, définie par son usage ; le matériau, c’est la matière dont il est fait. Un trombone est un objet ; l’acier est son matériau. Un objet réunit souvent plusieurs matériaux. Les matériaux usuels vus en 6e : les métaux, le verre, les plastiques, le papier et le carton, le bois.
• On range les matériaux en cinq grandes familles :
– les métaux et alliages (fer, acier, fonte, aluminium, cuivre, zinc, laiton…), obtenus à partir de minerais extraits du sol ;
– les matières plastiques (PET, polypropylène, PVC, polystyrène…), fabriquées surtout à partir du pétrole ;
– les matériaux organiques naturels, d’origine végétale (bois, papier, carton, liège, coton) ou animale (laine, cuir, soie) ;
– les céramiques et le verre, des matériaux minéraux : terre cuite, faïence, porcelaine (de l’argile cuite au four), verre (du sable fondu) ;
– les composites : plusieurs matériaux assemblés, qui ne se mélangent pas, pour réunir leurs qualités.
• Un alliage est un métal mélangé à un ou plusieurs autres éléments, pour améliorer ses qualités. On ne distingue plus ses constituants.
| Famille | Matière première | Matériaux | Exemples d’objets |
|---|---|---|---|
| métaux et alliages | minerais : minerai de fer, bauxite (aluminium)… | acier, aluminium, cuivre, zinc, laiton | rail de train, jante de vélo, fil électrique |
| matières plastiques | surtout le pétrole | PET, polypropylène, PVC, polystyrène | flacon de lessive, tuyau d’évacuation, gobelet |
| organiques naturels | arbres, plantes, animaux | bois, carton, liège, laine, cuir | charpente, bouchon, ceinture |
| céramiques et verre | argile, sable | terre cuite, porcelaine, verre | tuile, assiette, bocal |
| composites | plusieurs matériaux assemblés | fibre de verre et résine, fibre de carbone et résine, béton armé | coque de bateau, cadre de vélo de course, pilier de pont |
Les alliages et les composites
| Alliage | Composition |
|---|---|
| acier | fer + un peu de carbone (moins de 2 %) |
| fonte | fer + plus de carbone (plus de 2 %) |
| acier inoxydable (inox) | acier + au moins 10,5 % de chrome (souvent aussi du nickel) : il ne rouille pas |
| laiton | cuivre + zinc |
| bronze | cuivre + étain |
Dans un composite, un renfort (des fibres, des barres) apporte la résistance et une matrice (la résine, le béton) le tient et donne sa forme à la pièce. La coque d’un bateau en « fibre de verre » est faite de fibres de verre noyées dans une résine ; le béton armé est du béton coulé autour de barres d’acier.
Une gourde de randonnée en aluminium. L’objet : la gourde. Le matériau : l’aluminium, de la famille des métaux. Sa matière première : la bauxite, un minerai.
Un pot de fleurs en terre cuite. De l’argile façonnée puis cuite au four (vers 900 °C) : c’est une céramique.
Une raquette de tennis en fibre de carbone. Des fibres de carbone noyées dans une résine : ni un métal, ni un simple plastique, c’est un composite.
Une poignée de porte dorée en laiton. Un alliage de cuivre et de zinc : famille des métaux et alliages.
Réflexe — pour ranger un matériau, je remonte à sa matière première : un minerai → métal ; le pétrole → plastique ; une plante ou un animal → organique naturel ; de l’argile ou du sable, cuits ou fondus → céramique ou verre ; plusieurs matériaux assemblés qui restent distincts → composite.
Attention — un alliage n’est pas un composite : dans le laiton, le cuivre et le zinc sont fondus ensemble et ne se distinguent plus ; dans un composite, les fibres ou les barres restent distinctes de la matrice. Le plexiglas, transparent, n’est pas du verre : c’est un plastique. Enfin, certains livres regroupent les plastiques et les matériaux naturels en une seule famille, les « matériaux organiques » (les plastiques y sont dits « artificiels ») : c’est la même classification, plus regroupée.
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Identifier les matériaux d’un objet
Pour savoir de quoi un objet est fait, on l’examine pièce par pièce, comme au laboratoire de technologie quand on démonte un objet.
• Pour identifier le matériau d’une pièce, on rassemble des indices, du plus simple au plus sûr :
1. observer : couleur, éclat (un métal neuf brille), transparence, veines du bois ;
2. toucher : une pièce froide au toucher conduit bien la chaleur, c’est souvent un métal ; un plastique ou un bois paraît tiède ;
3. soupeser : pour une même taille, l’acier et le cuivre sont lourds ; l’aluminium, le bois et les plastiques sont légers ;
4. tester (rappel de 6e) : l’aimant attire le fer, l’acier, la fonte et le nickel ; la lampe du circuit à pile brille si la pièce est en métal ou en graphite ;
5. lire : un marquage moulé ou gravé sur la pièce (le code d’un plastique, « inox »), la notice, la fiche technique.
• Le code d’identification d’un plastique est un triangle de flèches avec un numéro : 1 PET, 2 PEHD (polyéthylène haute densité), 3 PVC, 4 PEBD (polyéthylène basse densité), 5 PP (polypropylène), 6 PS (polystyrène), 7 autres plastiques.
Une nomenclature : la lampe de bureau
| Repère | Nombre | Désignation | Matériau | Indices |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | socle | acier peint | lourd ; attiré par l’aimant, même à travers la peinture |
| 2 | 2 | bras | aluminium | léger, gris brillant ; pas attiré par l’aimant ; la lampe du circuit à pile brille |
| 3 | 1 | abat-jour | polypropylène (PP) | moulé d’une seule pièce ; le code 5 est moulé à l’intérieur |
| 4 | 1 | câble | cuivre (fils) et PVC (gaine) | fils couleur cuivre, conducteurs ; gaine souple et isolante |
Deux plaques grises de même taille. L’une est lourde et attirée par l’aimant : de l’acier. L’autre est légère et n’est pas attirée : de l’aluminium.
Un gobelet jetable en mousse blanche porte un triangle avec le chiffre 6 : il est en polystyrène (PS).
Une chaise de jardin « en bois ». En la retournant, on voit qu’elle est moulée d’une seule pièce et porte un code 5 : c’est du polypropylène qui imite le bois.
Réflexe — pièce par pièce, j’observe, je touche, je soupèse, je teste (aimant, lampe), puis je cherche un marquage. Deux indices qui concordent valent mieux qu’un seul.
Attention — l’aspect peut tromper : un plastique chromé imite le métal, une peinture cache le matériau (pour le test de la lampe, les pinces doivent toucher le matériau lui-même). Une pièce qui n’est pas attirée par l’aimant peut quand même être en métal : aluminium, cuivre, laiton, certains inox. Et le chiffre du triangle indique le type de plastique, pas que l’objet sera recyclé.
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Conducteurs et isolants, matériaux attirés par l’aimant
Une prise électrique, un fer à repasser, une ligne à haute tension : pour chaque pièce, il faut savoir si le matériau laisse passer le courant, la chaleur, et s’il est attiré par un aimant. Ces trois propriétés ont été testées en 6e ; en 5e, on les relie aux familles de matériaux.
• Un conducteur thermique laisse passer facilement la chaleur ; un isolant thermique la laisse mal passer : il ralentit son passage.
• Un aimant attire seulement le fer, l’acier, la fonte et le nickel (ainsi que le cobalt). Beaucoup d’inox, comme celui des couverts « 18/10 » ou des éviers, ne sont pourtant pas attirés.
• Tous les métaux conduisent l’électricité et la chaleur. Les plastiques, les matériaux organiques naturels (bois sec, liège, papier, laine), les céramiques et le verre sont des isolants électriques. Seule exception à retenir : le graphite (la mine d’un crayon) conduit l’électricité sans être un métal.
| Famille | Électricité | Chaleur | Aimant |
|---|---|---|---|
| métaux et alliages | conducteurs | bons conducteurs | attirés : fer, acier, fonte, nickel seulement |
| matières plastiques | isolants | isolants (surtout les mousses, qui emprisonnent de l’air) | pas attirées |
| organiques naturels | isolants (bois sec, papier, laine…) | isolants (bois, liège, laine…) | pas attirés |
| céramiques et verre | isolants | conduisent bien moins que les métaux, plus que le bois | pas attirés |
| composites | selon les matériaux assemblés | selon les matériaux assemblés | selon les matériaux assemblés |
Dans les objets. Les isolateurs qui accrochent les câbles d’une ligne à haute tension aux pylônes sont en verre ou en porcelaine : des isolants électriques. Les broches d’une fiche électrique sont en métal (par exemple en laiton) pour conduire le courant ; le corps de la fiche est en plastique pour protéger la main. Un dessous-de-plat en liège protège la table de la chaleur d’un plat.
Le fer à repasser. La semelle est en métal : bon conducteur thermique, elle transmet la chaleur au linge. La poignée est en plastique : isolant thermique et électrique, elle protège la main.
Deux vis dorées. L’une est attirée par l’aimant : de l’acier recouvert d’une couche dorée. L’autre ne l’est pas : du laiton. Les deux conduisent l’électricité, car ce sont deux métaux.
Une baguette de graphite entre les pinces : la lampe brille. Le graphite est conducteur sans être un métal ; il n’est pas attiré par l’aimant.
Réflexe — un métal → conducteur électrique et thermique ; plastique, matériau naturel, céramique ou verre → isolant électrique ; pour l’aimant, seulement le fer, l’acier, la fonte et le nickel.
Attention — conduire l’électricité et être attiré par l’aimant sont deux propriétés différentes : le cuivre conduit très bien le courant, mais l’aimant ne l’attire pas. Les tests se font toujours avec une pile : le courant d’une prise (230 V) peut tuer, et le corps humain conduit le courant.
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Les propriétés des matériaux et le choix d’un matériau
Conduire ou isoler ne suffit pas : une pièce doit aussi supporter des efforts, la pluie, les chocs… Chaque matériau a ses propriétés ; on choisit celui dont les propriétés répondent aux contraintes de la pièce.
– rigide : il ne se déforme pas, ou très peu (une étagère en chêne) ; souple : il se plie facilement (une bâche, une feuille de caoutchouc) ;
– élastique : il reprend sa forme quand on cesse l’effort (un ressort en acier, une bande en caoutchouc) ; sinon la déformation est permanente (une feuille d’aluminium froissée garde ses plis) ;
– dur : il résiste aux rayures (verre, céramique, acier) ;
– fragile : il se casse net, sans se déformer avant (verre, porcelaine, terre cuite).
• Autres propriétés :
– léger ou lourd pour un même volume : 1 cm³ d’aluminium pèse environ 2,7 g, 1 cm³ d’acier environ 7,9 g, soit près de trois fois plus ;
– transparent (verre, PMMA, PET) ou opaque ; le PMMA (plexiglas) est environ deux fois plus léger que le verre : 1,19 g par cm³ contre environ 2,5 g ;
– étanche : il ne laisse pas passer l’eau (plastiques, verre, métaux) ; la terre cuite, poreuse, laisse passer l’eau ; le carton l’absorbe ;
– résistant à la corrosion : le fer, la fonte et l’acier ordinaire rouillent au contact de l’eau et de l’air ; l’inox, l’aluminium, le verre et les plastiques ne rouillent pas.
• Choisir un matériau (rappel de 6e : contrainte → propriété → matériau). Parmi plusieurs matériaux proposés : 1. je liste les contraintes de la pièce ; 2. je lis le tableau des caractéristiques ; 3. j’élimine tout matériau qui ne respecte pas une contrainte ; 4. je compare ceux qui restent (masse, prix, recyclage) ; 5. je justifie : « je choisis… parce que… ».
Exemple : le garde-boue d’un vélo de ville
Contraintes : rester sous la pluie sans s’abîmer, être léger, reprendre sa forme après un choc contre un trottoir.
| Caractéristique | acier | aluminium | polypropylène | carton |
|---|---|---|---|---|
| sous la pluie | rouille (sans peinture) | ne rouille pas | ne rouille pas | ramollit |
| masse | lourd | léger | léger | léger |
| après un choc | peut garder une bosse | garde la bosse | souple : reprend sa forme | se déchire |
J’élimine l’acier (il rouille et il est lourd), le carton (il ramollit sous la pluie) et l’aluminium (il garde les bosses). Je choisis le polypropylène, parce qu’il ne craint pas la pluie, qu’il est léger et qu’il reprend sa forme après un choc.
Le ressort d’une pince à linge doit reprendre sa forme des milliers de fois : il faut un matériau élastique, l’acier.
Un même volume de 20 cm³ pèse environ 20 × 2,7 = 54 g en aluminium et 20 × 7,9 = 158 g en acier : l’aluminium allège les pièces.
Une étagère en verre est rigide et dure (elle ne plie pas et ne se raye pas), mais fragile : un choc violent la brise net.
Réflexe — contrainte → propriété → matériau. J’élimine d’abord ce qui ne convient pas, je compare ensuite, et je justifie avec la propriété.
Attention — « solide » ne veut rien dire tout seul : dur (résiste aux rayures), rigide (ne se déforme pas) et résistant aux chocs (ne casse pas) sont trois propriétés différentes. Le verre est dur et rigide, mais fragile. Et un matériau parfait pour une pièce peut être mauvais pour une autre du même objet.
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Ressources, tri et recyclage des matériaux
Les matériaux viennent de ressources de la Terre, et chaque objet finit un jour en déchet. Savoir d’où vient un matériau et comment il se recycle aide à le choisir et à bien le jeter.
• Recycler, c’est refaire de la matière à partir d’un déchet : c’est la valorisation matière. Brûler un déchet pour produire de la chaleur ou de l’électricité, c’est la valorisation énergétique : la matière est alors perdue.
• Trier (rappel de 6e) : depuis le 1er janvier 2023, en France, tous les emballages en plastique, en métal, en papier et en carton vont dans le bac de tri ; le verre va au conteneur à verre. Au centre de tri, un aimant retire l’acier ; une machine à courants de Foucault éjecte l’aluminium, qui n’est pas attiré par l’aimant.
• Deux logos : le Triman signale un produit recyclable qui doit être trié (il accompagne les consignes de tri) ; l’anneau de Möbius (trois flèches en boucle) signale un emballage recyclable ; avec un pourcentage au centre, il indique la part de matière recyclée qu’il contient.
Comment se recycle chaque famille ?
| Famille | Recyclage |
|---|---|
| métaux | refondus : l’acier et l’aluminium se recyclent sans fin, sans perdre leurs qualités |
| verre d’emballage | refondu : bouteilles, pots et bocaux se recyclent à l’infini |
| papier et carton | les fibres se recyclent environ 5 fois en moyenne, puis elles deviennent trop courtes |
| plastiques | les thermoplastiques (PET, PEHD, PP…) ramollissent à la chaleur : on peut les refondre ; les thermodurcissables (certaines résines) ne ramollissent plus : ils se recyclent difficilement |
| composites | difficiles à recycler : on sépare mal les matériaux assemblés (les pales d’éoliennes en fibre de verre et résine, par exemple) |
| céramiques | la vaisselle, la porcelaine et le verre culinaire (plats de four) ne vont pas au conteneur à verre : ils ne fondent pas comme le verre d’emballage et abîment les nouvelles bouteilles |
Rappel de 6e : abandonné dans la nature, un déchet met plus ou moins longtemps à disparaître (ordres de grandeur, ministère de l’Intérieur, site Ma Sécurité) : de 3 à 12 mois pour un papier journal, de 200 à 500 ans pour une canette en aluminium, de 100 à 1 000 ans pour une bouteille en plastique ; le verre ne se dégrade presque pas.
Une boîte à biscuits en acier va dans le bac de tri ; au centre de tri, l’aimant la retire du tapis ; l’acier est refondu pour fabriquer de nouvelles pièces.
Un bol en porcelaine cassé ne va pas au conteneur à verre : selon la commune, aux ordures ménagères ou à la déchèterie.
Un pot de miel en verre va au conteneur à verre ; son couvercle en acier, dévissé, va dans le bac de tri.
Réflexe — pour un déchet, je me demande : en quel matériau ? où le déposer ? comment le centre de tri le sépare-t-il ? se recycle-t-il sans fin, quelques fois, ou difficilement ?
Attention — « recyclable » ne veut pas dire « biodégradable », ni « recyclé » : il faut encore le déposer au bon endroit. Le verre se recycle à l’infini, mais seulement le verre d’emballage : pas un verre à boire, ni un plat de four. Et le meilleur déchet reste celui qu’on évite : réparer et réemployer un objet passe avant le recycler.
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Pour aller plus loin
Les rappels de 6e en entier. Expériences sur la conduction de la chaleur et du courant, test de l’aimant, tri des déchets et durées de décomposition : voir « Propriétés de la matière : comparer et trier les matériaux » (6e).
Électricité et chaleur en physique. Le corps humain conducteur, les dangers du secteur, le fusible : voir « Électricité : conducteurs, isolants et sécurité » ; la conduction de la chaleur et l’isolation : voir « Énergie : transferts thermiques, chaleur et température ».
Le cycle de vie d’un objet. Extraction, fabrication, transport, utilisation, fin de vie (réemploi, recyclage, valorisation, élimination) et leurs impacts : voir « Choisir un objet : besoin, notice et étiquette énergie ».
Tester la tenue d’un matériau. La flexion et la torsion, et la simulation de la tenue mécanique d’une pièce : voir « Tester : solidité d’une structure et performances ». Choisir un matériau pour un prototype : voir « Prototype : assembler, fabriquer et choisir parmi des solutions ».
En 4e et en 3e. On reliera la forme d’une pièce à son procédé de fabrication (découpe, pliage, moulage, impression 3D), puis on justifiera le choix d’un matériau et de son procédé selon les contraintes techniques et l’environnement.
- Matière première → matériau → objet. Cinq familles : métaux et alliages (minerais), matières plastiques (pétrole), organiques naturels (plantes, animaux), céramiques et verre (argile, sable), composites (matériaux assemblés).
- Alliage : un métal mélangé à d’autres éléments (acier, inox, laiton, bronze) ; composite : un renfort et une matrice qui restent distincts (fibre de verre et résine, béton armé).
- Identifier un matériau pièce par pièce : observer, toucher, soupeser, tester (aimant, lampe), lire le marquage (triangle 1 PET à 7 autres) ; les pièces sont listées dans la nomenclature.
- Métaux : conducteurs électriques et thermiques ; plastiques, matériaux naturels, céramiques et verre : isolants électriques ; l’aimant n’attire que le fer, l’acier, la fonte et le nickel.
- Propriétés : rigide ou souple, élastique, dur, fragile, léger, transparent, étanche, résistant à la corrosion. Choisir : contrainte → propriété → matériau ; éliminer, comparer, justifier.
- Ressources renouvelables ou non ; valorisation matière (recyclage) ou énergétique ; métaux et verre d’emballage se recyclent sans fin, le papier environ 5 fois, les composites et les thermodurcissables difficilement.
Questions fréquentes
Quelles sont les grandes familles de matériaux ?
Les métaux et alliages (obtenus à partir de minerais), les matières plastiques (surtout à partir du pétrole), les matériaux organiques naturels d’origine végétale ou animale (bois, carton, liège, laine, cuir), les céramiques et le verre (argile cuite, sable fondu) et les composites, faits de plusieurs matériaux assemblés.
Comment identifier le matériau d’une pièce ?
On rassemble des indices : on l’observe (couleur, éclat, transparence), on la touche (un métal paraît froid), on la soupèse, on la teste avec un aimant et avec le circuit à pile et lampe, et on cherche un marquage, comme le triangle de flèches qui donne le type de plastique (1 PET, 5 PP…).
Quels matériaux conduisent l’électricité et lesquels sont attirés par un aimant ?
Tous les métaux conduisent l’électricité et la chaleur, ainsi que le graphite. Les plastiques, le bois sec, les céramiques et le verre sont isolants. Un aimant n’attire que le fer, l’acier, la fonte et le nickel : ni l’aluminium, ni le cuivre, ni le laiton.
Comment choisir le matériau d’une pièce ?
On part des contraintes de la pièce, on en déduit les propriétés nécessaires (étanche, léger, élastique, isolant…), on élimine les matériaux proposés qui ne les ont pas, on compare ceux qui restent, puis on justifie le choix par la propriété.
Tous les matériaux se recyclent-ils de la même façon ?
Non. L’acier, l’aluminium et le verre d’emballage se recyclent sans fin ; les fibres de papier et de carton environ 5 fois en moyenne ; les thermoplastiques se refondent, mais les thermodurcissables et les composites se recyclent difficilement. La vaisselle et le verre culinaire ne vont pas au conteneur à verre.
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