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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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Énergie des joints de grains et diffusion1. Structure des nanomatériaux
1.1 Diverses classes de nanomatériaux
Plusieurs classifications ont été proposées pour les nanomatériaux fondées sur :
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la dimensionnalité (dimension 0, 1, 2 ou 3 de la phase ou des phases nanométriques, selon qu’il s’agit respectivement de particules dispersées, de baguettes, de couches planes, ou de nanograins assemblés en volumes) ;
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selon qu’il s’agit de systèmes monophasés ou de systèmes multiphasés (composites).
Les classifications qui nous paraissent les plus pertinentes sont :
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celle de Siegel [1] (figure 1), qui distingue les amas (ou agrégats ; en anglais clusters ) ; les multicouches, les monocouches superficielles ou incluses, et les matériaux tridimensionnels ;
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ainsi que celle de Niihara [2] (figure 2) qui distingue pour les nanocomposites les composites de type intragranulaire, intergranulaire, ou mixte (dans ces trois cas on se réfère à la distribution d’une phase nanométrique minoritaire vis-à-vis d’une phase majoritaire micrométrique), et en outre les composites entre deux phases d’échelle nanométrique pour lesquelles il peut y avoir ou non percolation.
Souvent, les matrices des composites ne sont pas des solides cristallins : verres, polymères, fluides. Nous en rencontrerons des exemples au gré des diverses parties de cet article.
Il existe en métallurgie deux exemples de nanocomposites d’importance majeure qui sont abondamment traités par ailleurs : les précipitations durcissantes des alliages d’aluminium (zones de Guinier – Preston) et les alliages à oxydation interne. Ils ne seront donc pas présentés ici.
HAUT DE PAGE1.2 Joints de grains
Outre ces considérations géométriques, l’une des caractéristiques essentielles des nanomatériaux est l’importante proportion d’atomes qui se trouvent aux joints de grains :
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d’une part parce que le rapport surface sur volume varie comme l’inverse de la dimension des grains ;
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d’autre part parce que la dimension transversale des joints croît pour les tailles de grains les plus faibles (
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