3 - Propriétés Thermiques des biomatériaux

Plan du document: I. Généralités
 II. Les caractéristiques essentiels
 1. La conductibilité thermique
   1. Définition
   2. Solide métallique
   3. Solide organique
   4. Solide ionique
        1. l'exemple de conductibilité théorique
        2. Dilatation thermique
        3. Chaleur spécifique, chaleur massique et capacité calorifique
        4. Chaleur de fusion
 5. Point de fusion
    1. Définition
 III. Traitement thermique : 1. Le phénomène de diffusion : définition
 2. La trempe
 3. Le recuit
    1. Recuit d'homogénéisation : recuit de diffusion
    2. Recuit de recristallisation
    3. Le revenu


I Généralités
Dans les tissus buccaux, les liaisons atomiques sont de type primaire avec peu ou pas d'électron libres entraînant une conductivité thermique faible, ceci nous permet d'éviter de ressentir les chocs thermiques ainsi que la douleur qui peut en résulter.
...•. Une grande sensibilité au chaud ou au froid permet de nous indiquer un état anormal ou pathologique, cependant :


I.A.
La présence de reconstruction buccal le plus souvent métallique (amalgame) entraîne la présence d'e¬libres qui favorisent la conduction thermique pouvant entraîner soit:
...•. Des douleurs ...•. Des lésion pulpaire


I.B.
Lors d'une restauration prothétique en résine acrylique ayant une faible conduction thermique, ce matériau tend à empêcher un échange thermique entre les tissus buccaux porteur et la bouche entraînant une insensibilité au chaud et au froid
En résumé : :
dans un état solide, les atomes ne peuvent se mouvoir que par vibration autour de leur position d'équilibre


I.C.
Si l'on fournit de l'énergie calorifique, elle se transforme en énergie cinétique et l'amplitude de vibration des ondes augmente, c'est ce qu'on appelle le “1er degré de liberté”


I.D.
Si la quantité d'énergie calorifique est grande (susceptible de disloquer l'empilage atomique en assemblages moins compacte et désordonner) nous aurons l'état liquide correspondant pour les atomes à un
“2ème degré de liberté”


I.E.
Si maintenant la quantité d'énergie est très grande, nous passerons de l'état liquide à l'état gazeux correspondant à un “troisième degré de liberté” ; là les atomes ont la possibilité de se mouvoir dans toute les directions et sur de longue distance
II Les caractéristiques essentiels II.A.La conductibilité thermique II.A.a.Définition C'est la propriété qui possède les corps de transporter l'énergie calorifique.
...•. dans tous les solides, ce transport peut s'effectuer selon 3 mécanismes
Par des e¬: cas des métaux Par des molécules : cas des solides organiques Vibration : cas des solides ioniques ou homopolaire


II.A.b.Solide métallique
Sur le plan atomique, il y a essentiellement une conductibilité électronique :
“la théorie de l'électron libre” (transfert d'électrons)
...•. Cependant il peut y avoir une conductibilité secondaire par vibration du réseau (électron de conduction) c'est la théorie du concept d'un champ potentiel périodique dans lequel les électrons se déplacent, ce concept à donner naissance à la théorie des bandes.


II.A.c.Solide organique
Dans le transfert des molécules, il y a excitation des groupements adjacente par translation, rotation ou vibration des groupes énergétique, la lenteur du processus nous donnera les plus basses conductibilités.
Exemple : résine élastomère


II.A.d.Solide ionique
Le transfert de l'énergie du réseau se produit par la vibration de l'ensemble de la
structure cristalline
Exemple : Cas du plâtre et le ciment à l'oxyphosphate
• l'exemple de conductibilité théorique Cu : 326 Watt/mK
Amalgame : 23 Watt/mK Dentine : 0.62 Watt/mK Résine : 0.2 Watt/mK
Ciments : Hydroxyde de Ca++ : 0.75 Watt/mK Eugenate : 0.5 Watt/mK
Phosphate de Zn : 1.3 Watt/mK


II.B.Dilatation thermique
Lorsqu'on chauffe un solide (température inférieure à celle nécessaire à un changement d'état), il augmente de volume. ... Au niveau atomique, sous l'influence de la chaleur, l'atome se déplace de sa position d'équilibre vers des positions symétrique, cette dilatation et fonction de la force de liaison, cette dilatation est :
Faible : Solide ionique Plus importante : solide métallique Très grande : Les solides moléculaires (résine élastomère)
Exemple : :
...•. La couronne dentaire est de 11.4e¬6/degré ...•. Amalgame : 2.5e¬6/degré ...•. Résine : 8.1e¬6/degré
Ces 2 propriétés : conductibilité et dilatation thermique sont des paramètres important à connaître lors de l'usage des biomatériaux afin d'apprécier leur tolérance et leur comportement.


II.C.Chaleur spécifique, chaleur massique et capacité calorifique
C'est la quantité d'énergie qu'il faut fournir pour mettre les atomes en vibration


II.D.Chaleur de fusion
C'est la quantité de chaleur nécessaire pour disloquer l'empilage atomique, elle est en fonction avec la qualité et la quantité de métal à fondre.
Exemple : :
La température de fusion du chrome et triple de celle de l'argent ...•. celle de l'argent est double que celle de l'Or.


II.E.Point de fusion
• Définition
Il s'agit du point où l'énergie thermique contenue à l'intérieur de la structure est juste suffisante pour rompre les liaisons qui maintienne les atomes à l'état condensé.
...•. Il est donc en relation avec les forces de liaison qui maintienne les atomes dans la structure, ce point de fusion est constant pour les métaux purs:

Remarque !
Intervalle de fusion
On parlera de point de fusion pour un métal pur et d'intervalle de fusion pour
un alliage.
http://3.bp.blogspot.com/_JG8TFIJ5Xeo/SeJYoLYel_I/AAAAAAAAA3A/fsV_FfyMiPw/s400/biomateriaux+100.jpg


III Traitement thermique
Les traitements thermiques sont essentiellement liés au phénomène de diffusion. ...•. Soit qu'il l'empêche on aura la “trempe”. ...•. soit qu'il la favorise: on aura le “recuit”


III.A.Le phénomène de diffusion : définition
C'est le phénomène selon le quel se produit l'interpénétration d'un ou plusieurs éléments dans un autre (dans les system gazeux, liquide, solide) dans l'état solide, la diffusion varie en fonction de :
La concentration La température
Elle suppose pour se produire une inégalité des potentiels thermodynamique


III.B.La trempe
Il s'agit de ramener brusquement sans modification de structure un solide portée à une température donnée (inférieure à la température de transformation) jusqu'a la température ambiante.
...•. La trempe se fait dans l'eau, dans l'huile ou dans un bain de sel fondue. ...•. La trempe provoque un durcissement lié à une modification superficielle de la structure
(apparition de la martensite (petites couches qui subit la modification) )


III.C.Le recuit
Se sont des traitements thermiques d'amélioration qui consiste à réchauffer l'alliage ou la pièce coulée à une température donnée pendant un temps donnée pour rapprocher le matériaux de son état d'équilibre.
...•. Le recuit peut se faire par homogénéisation ou par recristallisation.


III.C.a.Recuit d'homogénéisation : recuit de diffusion
Qui permet de diminuer l'hétérogénéité chimique apparue au refroidissement
Exemple : Au, Ag, Cu, Pd
Cet alliage est porté à la température de 700° pendant 2 heures puis on fait une trempe à l'eau


III.C.b.Recuit de recristallisation
Exemple : Fr, Sn, Co, Si
Il concerne les matériaux polymorphe (susceptible de changer de réseau cristallin à certaine température )
Exemple I : :
1535°C 1400°C 898°C
Cubique centrée Cubique à face centrée forme cubique Feδ Feγ Feα
Exemple II : : Alliage d'or de type 3 et 4
AuCu AuCu Cubique face centrée Quadrilatère ...•. Le recuit de cristallisation concerne également le métal écroui pour lequel il supprimera les contraintes induite par déformation plastique.


III.C.c.Le revenu
C'est un recuit à basse température qui permet de diminuer les contraintes en dispersant les dislocations mais sans provoquer de modification structurale sensible.