Échantillons d’une classe de céramiques, connues sous le nom de carbures à haute entropie, qui ont été conçues pour résister à davantage de forces et de contraintes avant de se briser. Crédit : Liezel Labios/École d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego
Les scientifiques ont découvert une méthode permettant de rendre la céramique plus solide et plus résistante à la fissuration. En construisant ces matériaux avec un mélange d’atomes métalliques possédant un nombre plus élevé d’électrons dans leur enveloppe externe, un groupe dirigé par des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego a libéré le potentiel permettant aux céramiques de supporter des niveaux de force et de contrainte plus élevés que ceux des céramiques. avant.
Caractéristiques et limites de la céramique
Les céramiques offrent de nombreux avantages en raison de leurs propriétés remarquables, notamment leur capacité à résister à des températures extrêmement élevées, à résister à la corrosion et à l’usure des surfaces, et à conserver des profils légers. Ces propriétés les rendent adaptés à une variété d’applications telles que les composants aérospatiaux et les revêtements protecteurs pour moteurs et outils de coupe. Cependant, leur faiblesse a toujours été leur fragilité. Ils se cassent facilement sous l’effet du stress.
Mais maintenant, les chercheurs ont trouvé une solution qui pourrait rendre la céramique plus difficile à briser. Ils ont récemment publié leurs travaux dans Avancées scientifiques.
Débloquer une robustesse améliorée
L’étude, dirigée par Kenneth Vecchio, professeur de nano-ingénierie à l’Université de San Diego, se concentre sur une classe de céramiques appelées carbures à haute entropie. Ces matériaux ont des structures atomiques très désordonnées, composées d’atomes de carbone liés à plusieurs éléments métalliques des quatrième, cinquième et sixième colonnes du tableau périodique. Ces métaux comprennent par exemple le titane, le niobium et le tungstène. Les chercheurs ont découvert que la clé pour améliorer la résistance de la céramique résidait dans l’utilisation de métaux des cinquième et sixième colonnes du tableau périodique, en raison de leur nombre plus élevé d’électrons de valence.
Électrons de Valence – ceux résidant dans un atomeLa coque la plus externe de et la liaison avec d’autres atomes se sont avérées être un facteur essentiel. En utilisant des métaux avec un nombre d’électrons de valence plus élevé, les chercheurs ont réussi à améliorer la résistance du matériau à la fissuration lorsqu’il est soumis à des charges et contraintes mécaniques.
« Ces électrons supplémentaires sont importants car ils rendent le matériau céramique plus ductile, ce qui signifie qu’il peut subir davantage de déformations avant de se briser, comme un métal », a déclaré Vecchio.
Simulations comparant les réponses sous contrainte appliquée de céramiques avec différentes concentrations d’électrons de valence. Crédit : École d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego
Pour mieux comprendre cet effet, le groupe de Vecchio a collaboré avec Davide Sangiovanni, professeur de physique théorique à l’Université de Linköping, en Suède. Sangiovanni a effectué les simulations informatiques et l’équipe de Vecchio a fabriqué et testé expérimentalement les matériaux.
L’équipe a étudié les carbures à haute entropie présentant diverses combinaisons de cinq éléments métalliques. Chaque combinaison a produit une concentration différente d’électrons de valence dans le matériau.
Identifier les combinaisons les plus fortes
Ils ont identifié deux carbures à haute entropie qui présentaient une résistance exceptionnelle à la fissuration sous charge ou contrainte, grâce à leurs concentrations élevées d’électrons de valence. L’un était composé des métaux vanadium, niobium, tantale, molybdène et tungstène. L’autre variante a remplacé le niobium par du chrome dans le mélange.
Sous une charge ou une contrainte mécanique, ces matériaux étaient capables de se déformer ou de s’étirer, respectivement, ressemblant au comportement des métaux plutôt qu’à la réponse fragile typique de la céramique. Au fur et à mesure que ces matériaux étaient percés ou séparés, les liaisons commençaient à se rompre, formant des ouvertures de la taille d’un atome. Les électrons de valence supplémentaires autour des atomes métalliques se sont ensuite réorganisés pour combler ces ouvertures, formant ainsi de nouvelles liaisons entre les atomes métalliques voisins. Ce mécanisme préservait la structure du matériau autour des ouvertures, les empêchant efficacement de s’agrandir et de former des fissures.
«Nous avons découvert qu’une transformation sous-jacente se produisait au niveau à l’échelle nanométrique où les liaisons sont réorganisées pour maintenir le matériau ensemble », a déclaré le co-auteur de l’étude Kevin Kaufmann, titulaire d’un doctorat en nano-ingénierie à l’UC San Diego. ancien élève du laboratoire de Vecchio. « Au lieu de simplement se fendre sur toute la surface de fracture, le matériau s’effiloche lentement comme le ferait une corde lorsqu’on la tire. De cette façon, le matériau peut s’adapter à cette déformation et ne pas se briser de manière fragile.
Applications et perspectives d’avenir
Le défi consiste désormais à accroître la production de ces céramiques résistantes pour des applications commerciales. Cela pourrait contribuer à transformer les technologies qui reposent sur des matériaux céramiques hautes performances, des composants aérospatiaux aux implants biomédicaux.
La nouvelle robustesse de ces céramiques ouvre également la voie à leur utilisation dans des applications extrêmes, telles que les bords d’attaque des véhicules hypersoniques. Des céramiques plus résistantes pourraient servir de défense de première ligne pour ces véhicules, protégeant les composants vitaux des impacts des débris et permettant aux véhicules de mieux survivre aux vols supersoniques, a expliqué Vecchio.
« En s’attaquant à une limitation de longue date de la céramique, nous pouvons considérablement élargir leur utilisation et créer des matériaux de nouvelle génération qui ont le potentiel de révolutionner notre société », a déclaré Vecchio.
Ce travail a été soutenu par le Conseil suédois de la recherche (subventions VR-2018-05973 et VR-2021-04426), le Centre de compétences Functional Nanoscale Materials (subvention 2022-03071), la Fondation Olle Engkvist, le Département de nano-ingénierie de l’UC San Diego, Centre de recherche sur les matériaux, National Programme de bourses d’études supérieures en sciences et ingénierie de la défense, Fondation ARCS (chapitre de San Diego) et groupe Oerlikon.
