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Auteur(s)
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Paul COSTA : Ingénieur général de l’Armement - Haut conseiller à l’Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les propriétés des matériaux cristallins, métalliques ou céramiques, varient, souvent fortement, avec la taille des grains, ce dont les ingénieurs ont depuis longtemps fait usage lorsqu’il s’est agi par exemple d’améliorer la limite élastique et les propriétés de rupture, ou encore le comportement ferromagnétique. Ces variations ont été longtemps limitées par les technologies d’élaboration des matériaux dont les tailles de grain restaient supérieures au micromètre.
Depuis un demi-siècle environ, sont apparues des techniques nouvelles de refroidissement rapide, de chimie dite douce, techniques sol-gel par exemple, qui permettent d’accéder à des tailles de grain beaucoup plus faibles car elles réduisent ou suppriment le maintien du matériau aux températures auxquelles peut se produire la croissance des grains, ou encore des méthodes de production sous arc électrique, sous laser ou sous plasma de matériaux particulaires de très petite taille.
Dès lors, il a été possible de réduire les tailles de grain à des dimensions de l’ordre des tailles caractéristiques des défauts qui gouvernent certaines propriétés comme les dislocations (propriétés mécaniques) ou les parois de Bloch (propriétés ferromagnétiques), ou encore de phénomènes qui n’interviennent qu’à l’échelle du nanomètre ou en dessous (effet tunnel, effets de « confinement » lorsque la taille des particules est inférieure à la longueur d’onde des particules — électrons, photons... — qui interviennent dans le phénomène étudié). Ces dimensions, selon les cas, varient entre quelques nanomètres et 100 nanomètres.
Dans cet article on se propose de passer en revue la structure et les modes d’élaboration des matériaux pour lesquels une phase au moins, déterminante pour certaines propriétés, a des dimensions inférieures à 100 nanomètres.
Les propriétés et principales applications de ces matériaux sont développées dans l’article Nanomatériaux. Propriétés et applications Nanomatériaux- Propriétés et applications, du même traité.
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Structure des nanomatériaux3. Élaboration
3.1 Élaboration par voie physique
Les méthodes décrites dans ce paragraphe concernent l’élaboration de nanoparticules (amas), formées à partir d’une phase vapeur. Cette phase est extraite d’un matériau source par chauffage ou par bombardement. Dans la plupart des cas, la vapeur du solide que l’on souhaite former est refroidie par des collisions avec un gaz neutre et devient donc fortement sursaturante (condensation en gaz inerte). Le matériau est collecté le plus rapidement possible sur une paroi froide, de façon à éviter la croissance ou la coalescence des amas. Souvent l’appareil d’élaboration dispose d’un sas réunissant la chambre de collecte des poudres et le dispositif de compaction afin d’éviter toute pollution atmosphérique. Les poudres nanométriques sont en effet très réactives ; elles peuvent même dans certains cas être pyrophores.
HAUT DE PAGE3.1.1 Aspects thermodynamiques de la formation des amas
Comme précédemment pour le nanograin, il convient d’introduire, outre le terme de volume, un terme de surface pour exprimer l’équilibre entre la nanoparticule et la vapeur. La variation ΔG (r ) d’énergie libre entre les deux phases s’écrit alors :
avec :
- r :
- rayon de la particule
- S :
- sursaturation de la vapeur, c’est-à-dire le rapport entre la pression p et la pression de vapeur saturante pe
- σ :
- énergie superficielle par unité de surface
- V :
- volume atomique à l’état solide
- T :
- température
- kB :
- constante de Boltzmann (kB = 1,38 · 10–23 J · K–1).
On...
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