Propriétés mécaniques des matériaux nanostructurés

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.