Présentation
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
Aavec la mise au point de techniques permettant d’élaborer des matériaux dont les dimensions sont nanométriques, un champ considérable s’est ouvert pour des matériaux nouveaux et des propriétés ont été découvertes qui relèvent de la physique (optique, électronique, magnétisme), avec déjà un ensemble très important d’applications industrielles, de la catalyse ou de la mécanique, avec toutefois, pour les matériaux structuraux, une limitation liée à la difficulté à accéder à des quantités de matière ou à des coûts pertinents. Parallèlement se sont développées des technologies permettant de façonner, par modulation de la composition ou par usinage à l’échelle nanométrique, des systèmes de matériaux et, de là, d’inventer des dispositifs qui sont la clef du futur en microélectronique et en informatique mais qu’il n’est pas possible d’évoquer pleinement ici en raison même de leur étendue.
Dans cet article, on se propose de passer en revue les propriétés et les principales applications des matériaux pour lesquels une phase au moins, déterminante pour certaines propriétés, a des dimensions inférieures à 100 nano- mètres.
Les structures et méthodes d’élaboration de ces matériaux sont développées dans l’article Nanomatériaux. Structure et élaboration Nanomatériaux- Structure et élaboration du même traité auquel le lecteur se reportera.
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Nanosystèmes2. Familles particulières
2.1 Céramiques
2.1.1 Matériaux céramiques structuraux
Pendant près de vingt ans des efforts considérables ont été faits pour valider l’utilisation de céramiques, principalement du carbure et du nitrure de silicium, comme matériaux structuraux chauds. Il faut bien reconnaître qu’ils ont échoué, car le problème de la fragilité, associé à la présence de défauts, n’a pas été surmonté à un niveau de prix acceptable.
Les nanomatériaux ne sont pas une voie vers la solution recherchée. Nous avons en effet vu deux effets antagonistes (cf. [M 4 026]) : la réduction de la taille des particules permet bien d’augmenter de façon importante le coefficient de concentration de contraintes critique, mais la déformation facile aux joints de grains provoque une réduction importante de la limite élastique et de la tenue en fluage. Enfin, les technologies de production de poudres, même les moins coûteuses (mécanosynthèse), restent d’un prix incompatible avec les applications mécaniques de grande diffusion.
Quelques applications :
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de haute technologie : la société Lockheed a muni des têtes de missiles de cônes en zircone-alumine, avec une taille de grain à la limite supérieure du domaine nanométrique (200 à 500 nm) ;
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ou de moyenne technologie : la société Bosch a réalisé des têtes d’outils en céramique de taille de grain comparable, à partir de polymères précurseurs des composés du silicium et du bore chargés de particules de SiC, et surtout de vitrocéramiques, qui sont des produits obtenus par cristallisation maîtrisée de verres, avec formation de cristallites de l’ordre de 100 nm ;
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relevons aussi la production de verres métalliques massifs comportant de très petites particules de carbures de métaux de transition réfractaires (ZrC, NbC...), pour des applications en tribologie.
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