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RÉSUMÉ
Cet article se focalise sur les propriétés mécaniques des matériaux nanostructurés, dont les applications ne cessent de se développer. Les particularités structurales de ces matériaux à l’échelle nanométrique sont favorables à des valeurs élevées de limite d’élasticité ou de résistance à la rupture. À l’opposé, les résistances à la propagation des fissures de fatigue et au fluage n’augmentent pas avec la diminution de la taille de grain. Ainsi, quels procédés retenir pour élaborer des matériaux nanostructurés à fonction mécanique, dépôts progressifs d’atomes ou transformations de la structure macroscopique ? Des résultats expérimentaux ont permis de valider les prévisions de l’approche théorique.
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Dominique FRANÇOIS : Professeur honoraire de l'École centrale de Paris
INTRODUCTION
Les nanomatériaux font l'objet de nombreuses recherches, sont en plein développement et trouvent des applications diverses. Leur importance a été notamment soulignée dans les articles [MA 4 026] « Nanomatériaux : structure et élaboration » et [MA 4 027] « Nanomatériaux : propriétés et applications » des Techniques de l'Ingénieur. Comme ce domaine évolue rapidement et qu'il recouvre une grande variété d'aspects, le présent article apporte des compléments concernant essentiellement les propriétés mécaniques des matériaux nanostructurés et certaines techniques d'élaboration.
En effet, le terme nanomatériau désigne aussi bien des matériaux divisés à l'extrême que des matériaux possédant des structures à l'échelle nanométrique. Les problématiques concernant ces divers types de nanomatériaux ne sont pas les mêmes. Selon les cas, elles sont d'ordre physique, chimique ou mécanique. Les traiter toutes aboutirait à un exposé disparate. Il semble donc préférable de se limiter à un aspect, ici celui des propriétés mécaniques, en vue précisément d'utiliser les nanomatériaux dans des structures de fonction mécanique. C'est pourquoi il va s'agir essentiellement de l'examen des matériaux nanostructurés, et encore pas de tous. Ils peuvent être classés en quatre catégories correspondant à leur dimensionnalité :
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dimension 0 pour des matériaux contenant des amas nanométriques ;
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dimension 1 pour ceux qui incorporent des nanotubes ou des fils nanostructurés et des multicouches d'épaisseurs nanométriques ;
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dimension 2 pour des couches nanostructurées ;
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dimension 3 pour des solides équiaxes nanostructurés. Gardant à l'esprit la fonction mécanique, les amas, les nanotubes interviendront comme renforts dans des matériaux qui possèdent en dehors de ceux-ci une microstructure classique. Il sera ici principalement question des fils et des solides équiaxes nanostructurés. Une classification supplémentaire intervient selon que les matériaux sont monophasés ou polyphasés .
Il existe déjà de copieux articles sur les propriétés mécaniques des matériaux nanostructurés. En particulier la présente synthèse doit beaucoup à celles de Meyers, Mishra et Benson et de Baró et co. . Par ailleurs Tjong a consacré un article très détaillé aux composites polymériques renforcés par des nanomatériaux . Une importante revue bibliographique est celle de Tjong et Haydn . Les références bibliographiques indiquées ne sont pas du tout exhaustives. Elles sont là seulement pour fournir des exemples caractéristiques.
Dans une première partie seront étudiées les raisons qui incitent à rechercher la diminution aussi forte que possible de la taille de la microstructure. Il est, en effet, bien connu que la limite d'élasticité, la résistance à l'amorçage des fissures de fatigue et la résistance à la rupture sont d'autant meilleures que la taille de grain est petite . Mais c'est le contraire lorsque sont considérées les résistances à la propagation des fissures de fatigue et au fluage. Selon nos connaissances sur les mécanismes en jeu, qu'est-il possible d'envisager à l'échelle nanométrique ?
Il faudra ensuite voir comment peuvent être obtenus des matériaux nanostructurés. Seront avant tout envisagés ceux de dimensions macroscopiques, éventuellement utilisables dans des structures à fonction mécanique.
La dernière partie, enfin, montrera les résultats expérimentaux qui ont pu être obtenus avec des matériaux nanostructurés. On verra donc si les prévisions issues des considérations développées dans la première partie peuvent être ou non vérifiées.
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Obtention des matériaux nanostructurés
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1. Application des modèles aux matériaux nanostructurés
1.1 Particularités structurales des matériaux nanostructurés
La particularité essentielle des matériaux nanostructurés est la proportion très importante du volume occupé par les joints de grains et, plus généralement, par les interfaces, par rapport au volume des grains eux-mêmes. On aurait là un mélange de cristaux et de phase amorphe. En faisant l'hypothèse que les grains sont cubiques ou sphériques, on peut estimer la fraction volumique des interfaces à 3δ/d, δ étant l'épaisseur de ces dernières et d la dimension du grain (c'est l'aire de la périphérie d'un grain multipliée par la moitié de l'épaisseur des joints et divisée par le volume d'un grain). En supposant que δ = 1 nm, cette fraction volumique peut atteindre 0,6 pour des grains de 5 nm, alors qu'elle n'est que de 10−4 pour des grains de 30 microns. Pour des matériaux ayant des tailles de grains de l'ordre de 300 nm, la fraction volumique des interfaces serait de l'ordre de 0,01.
Il est alors clair que l'extrapolation aux matériaux nanostructurés des modèles établis pour des phénomènes qui font intervenir les joints est problématique.
Autre particularité, pour des grains nanométriques, il devient très difficile de stocker des dislocations. Rappelons que les dislocations sont des défauts linéaires de l'empilement cristallin qui, en se déplaçant, provoquent la déformation plastique. En particulier, dans les nanocristaux, la dimension des empilements de dislocations par rapport à la taille de grains ne permet plus de les contenir. Aussi, peut-on s'attendre à des anomalies par rapport à la loi de Hall-Petch, reliant la limite d'élasticité à la taille de grains, établie pour des matériaux dont la taille de grains est habituelle. Cela devrait aussi affecter la résistance à la fatigue et la rupture par clivage. On doit s'attendre également à une disparition de l'écrouissage qui provient de l'accumulation des dislocations au fur et à mesure qu'augmente la déformation.
Il faut aussi s'attendre à une prépondérance des phénomènes qui font intervenir les joints de grains, tout particulièrement la diffusion le long de ces derniers. C'est ainsi que le fluage dépendant de cette diffusion, le fluage de Coble, devrait être privilégié.
Enfin, certains procédés d'élaboration des matériaux nanostructurés laissent subsister des porosités....
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Application des modèles aux matériaux nanostructurés
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SIEGEL (R.W.) - * - . – Mechanical Properties and Deformation Behavior of Materials having Ultrafine Microstructures, in Nastasi M., Parkin D.M. and Gleiter H., p. 509 (1993).
-
(2) - MEYERS (M.A.), MISHRA (A.), BENSON (D.J.) - Mechanical Properties of Nanocrystalline Materials - Progress in Mater. Science, 51, pp. 427-556 (2006).
-
(3) - BARO (M.D.), KOLOBOV (Yu.R.), OVID’KO (I.A.), SCHAEFER (H.-E.), STRAUMAL (B.B.), VALIEV (R.Z.), ALEXANDROV (I.V.), IVANOV (M.), REIMAN (K.), REIZIS (A.B.), SURINASH (S.), ZHILYAEV (A.P.) - Diffusion and Related Phenomena in Bulk Nanostructured Materials - Rev. Adv. Mater. Sci., 2, pp. 1-43 (2001).
-
(4) - TJONG (S.C.) - Structural and Mechanical Properties of Polymer Nanocomposites - Mater. Sci. and Eng. : R : Reports, 53, pp. 73-197 (2006).
-
(5) - TJONG (S.C.), HAYDN (C.) - Nanocrystalline Materials and Coatings - Mater. Science and Techno., R45, pp. 1-88 (2004).
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