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Une céramique ultrarésistante aux fissures

Dinhill On

Une équipe du CNRS, en collaboration avec la société Saint-Gobain, a mis au point un matériau céramique innovant. Il combine la résistance au stress mécanique à haute température d'une céramique et l'endurance à la rupture en présence d'une fissure de la nacre.

Et si les céramiques n'avaient plus besoin d'être associées à d'autres matériaux pour être employées à haute température? C'est ce qui pourrait découler des travaux de Sylvain Deville, chercheur à l'unité mixte de recherche CNRS/Saint-Gobain du laboratoire de synthèse et de fonctionnalisation des céramiques (LSFC). Connues depuis très longtemps, les céramiques sont caractérisées par une fragilité à la fissure. L'adjonction d'un matériau plus rigide (métal, polymère, etc.) est ainsi nécessaire pour accroître la ductilité de la céramique. Cependant, elle limite les propriétés de résistance thermique de la matière, réduisant la possibilité d'applications dans des conditions extrêmes de températures, tels que les moteurs ou les fours. L'équipe de Sylvain Deville a récemment réussi à synthétiser un matériau céramique inspiré de la nacre de certains coquillages, combinant ces propriétés antagonistes. « Nous avons réussi à fabriquer un matériau à partir d'alumines ayant une forme de plaquettes. En effet, cela permet d'obtenir une structure complexe et tenace, c'est-à-dire capable de résister à la rupture en présence d'une fissure », indique Sylvain Deville. Ainsi, le matériau synthétisé se caractérise par une résistance à la traction de 470 megapascals (MPa), une ténacité de 22 MPa.m1/2, et une raideur de 290 GPa. « La "nacre artificielle" que nous avons réussi à fabriquer se caractérise par une ténacité démultipliée par 10, par rapport à une structure en alumine classique. Et cela, tout en conservant la bonne résistance aux contraintes mécaniques de la céramique », précise le chercheur. Cette propriété est possible grâce à la structure spécifique de l'alumine utilisée : la fissure doit se propager en contournant chaque brique, l'empêchant de traverser facilement le volume du matériau.

L'équipe s'est appuyée sur un procédé spécifique de synthèse de matériaux sur lequel il travaillait déjà après sa thèse en 2004. Le protocole expérimental comprend quatre principales étapes. Dans un premier temps, l'équipe de chercheurs a élaboré un mélange contenant les plaquettes d'alumines, de l'eau ainsi que d'autres particules inorganiques, servant de ponts entre les différents éléments. La deuxième étape consiste en une congélation à -50 °C, suivie ensuite d'une étape de sublimation dans un lyophilisateur. « Cela sert à éliminer par sublimation les cristaux de glace formés lors de la congélation afin de ne laisser que la poudre agencée par auto-assemblage », détaille Sylvain Deville. Enfin, la poudre passe dans une presse à température, afin d'y subir une étape de frittage à haute température (environ 1 400 °C) pour obtenir une densification.

 

Des perspectives prometteuses

 

Cette découverte réalisée par l'équipe de Sylvain Deville ne devrait pas rester sans suite. En termes de perspectives de R&D, l'UMR cherche à mieux cerner les caractéristiques physico-chimiques du matériau, comme par exemple sa tenue à la chaleur. « Nous avons jusqu'à présent étudié son comportement à des chaleurs allant jusqu'à 600 °C, il serait d'intéressant de constater ses propriétés à des températures plus élevées », indique Sylvain Deville. Quant au procédé de fabrication, il pourrait être aisément étendu à d'autres matières premières, comme l'affirme le chercheur : « Il serait possible d'appliquer le même type de procédé à d'autres poudres, à condition qu'elles soient sous forme de plaquettes. En ce sens, nous avons d'ores et déjà utilisé ce procédé pour le nitrure de bore, afin d'en étudier la conductivité anisotrope ».

Au niveau des applications industrielles, la méthode de fabrication de cette « nacre artificielle » peut être utilisée à échelle plus importante. « Le procédé utilise une majorité d'équipements déjà utilisés dans l'industrie de la céramique. Seule l'étape de congélation n'est pas encore au point à l'échelle industrielle. Mais sachant qu'il existe des équipements de congélation de cette envergure dans l'agro-alimentaire, le procédé semble compatible avec une industrialisation à échelle plus importante, a priori sans surcoût notable par rapport aux procédés déjà utilisés », soutient Sylvain Deville. La « nacre artificielle » pourrait servir dans des applications industrielles de matériaux soumis à de forte contraintes thermiques. Par exemple, elle pourrait permettre d'alléger et de réduire la dimension de pièces céramiques de moteur ou de générateurs d'énergie. Reste à savoir quand Saint-Gobain prévoit de mettre cette innovation sur le marché.

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