Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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This article focuses on the mechanical properties of nanostructured materials the applications of which are undergoing continuous development. The structural characteristics of these materials at the nanometric scale ensure high limits of elasticity and resistance to rupture. Reversely, reducing the grain size does not increase the resistance to fatigue crack propagation and creep. Therefore, what methods should be adopted in order to develop nanostructured materials with a mechanical function, atomic-layer deposition or transformations of the macroscopic structure? The predictions of the theoretical approach have been validated by experimental results.
Auteur(s)
-
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 :
-
dimension 0 pour des matériaux contenant des amas nanométriques ;
-
dimension 1 pour ceux qui incorporent des nanotubes ou des fils nanostructurés et des multicouches d'épaisseurs nanométriques ;
-
dimension 2 pour des couches nanostructurées ;
-
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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Propriétés obtenues
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2. Obtention des matériaux nanostructurés
2.1 Principales techniques
Deux voies d'obtention de matériaux nanostructurées sont envisageables :
-
les produire en les construisant par dépôt progressif d'atomes (méthodes bottom up, de bas en haut) ;
-
les produire en transformant la structure macroscopique (méthodes top down, de haut en bas).
En se limitant aux techniques principales, la condensation sous gaz inerte et les dépôts électrolytiques relèvent des premières méthodes, la trituration (ou mécanosynthèse), la cristallisation de solides amorphes et les déformations extrêmes des secondes. L'article [MA 4 026] traite en détail d'un certain nombre de ces techniques. Elles seront donc seulement évoquées ici. En revanche, les procédés par électrolyse, par cristallisation de métaux amorphes et par déformations extrêmes seront plus développés.
HAUT DE PAGE2.2 Condensation sous gaz inerte
Cette technique consiste à évaporer un métal dans un récipient empli d'un gaz inerte comme de l'hélium après y avoir fait un vide poussé . Les atomes évaporés, ayant perdu leur énergie cinétique, se condensent sous forme de très fines particules. Elles sont ensuite agglomérées pour former des pastilles qui sont enfin compactées sous haute pression dans une enceinte sous vide de façon à conserver leur pureté.
La condensation sous gaz inerte permet d'obtenir des particules équiaxes d'extrême finesse. Un inconvénient de cette technique est la porosité résiduelle et la contamination des matériaux consolidés.
HAUT DE PAGE2.3 Dépôts électrolytiques
Il...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(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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