Bio-inspiration pour l’amélioration des céramiques et des composites structuraux

Si la plupart des matériaux de structure que nous croisons au quotidien doivent résister à des contraintes mécaniques à des températures proches de l’ambiante, les pièces de moteurs hautes performances ou les prothèses doivent résister en plus à des contraintes environnementales. Malheureusement, les matériaux capables de résister à ces conditions extrêmes sont, par la même occasion, aussi fragiles. Les céramiques représentent le meilleur exemple de compositions à la fois résistantes aux hautes températures, à l’usure et au contact avec le corps humain, mais en contrepartie avec un comportement mécanique très fragile. Depuis les années 1970 et afin de rendre les céramiques plus tenaces, des microstructures dérivées des composites à fibres longues ont été fabriquées. Grâce à ces avancées, des pièces en céramique sont introduites aujourd’hui dans des pièces de moteurs d’avions civils et militaires. Plus récemment, l’étude de matériaux naturels a ouvert une autre voie pour rendre les céramiques plus tenaces en découvrant des microstructures qui, au travers de millénaires d’évolution, ont résolu ce même problème.

Certains matériaux naturels ont pour principale fonction la protection contre les prédateurs et les chocs pour la coquille des mollusques ou le rôle de charpente pour l’organisme pour les os des vertébrés. Pour résister aux contraintes mécaniques, ces matériaux présentent en général une très grande fraction de céramiques fragiles dans leurs structures, mais, grâce à la forme et à la façon dont ces grains de céramique sont arrangés, ils présentent un comportement mécanique tout sauf fragile. L’idée de la bio-inspiration n’est pas nouvelle ni limitée aux propriétés structurelles. En effet, il s’agit d’un champ de recherche à part entière chargé de décrypter le lien entre les performances structurelles ou fonctionnelles des matériaux naturels, parfois remarquables, et leurs microstructures. Poussés par ces découvertes, des chercheurs en matériaux ont commencé par comprendre l’origine de l’efficacité de ces matériaux pour pouvoir s’en inspirer. L’étape suivante a donc été d’adapter ou même d’inventer des procédés capables de reproduire certains aspects de ces structures naturelles afin d’augmenter la ténacité de céramiques et de composites à base de céramique.

Concernant la notion même de céramique, il convient de préciser d’emblée de quoi on parle : une céramique a toujours subi, au cours de sa fabrication, une étape de cuisson ou un passage à haute température, qui n’existe évidemment jamais dans les matériaux « biologiques ». À partir de là, dans la suite de cet article, on considérera donc principalement la nature céramique de la composition et la microstructure des matériaux considérés, et non leur procédé d’élaboration. En effet, il est pour l’instant impossible d’utiliser des procédés similaires à ceux naturels de formation de ces organismes : ils sont d’une part extrêmement lents par rapport à nos standards industriels, mais aussi limités à des compositions pouvant cristalliser dans l’eau à température proche de l’ambiante. Une fois ces matériaux bio-inspirés fabriqués, la dernière étape est de déterminer leur comportement à la rupture afin d’établir le lien fondamental entre microstructure et performance.

Cet article décrit ce cheminement de recherche en partant de la description de la structure de l’os, de la nacre et du marteau de la crevette-mante paon, les matériaux naturels les plus étudiés pour leurs excellentes propriétés mécaniques. Partant de ces exemples, le concept de bio-inspiration appliqué spécifiquement aux céramiques et composites est détaillé avec le but de mettre en avant les avantages mais aussi les limites de cette nouvelle approche. Cet effort étant récent, il n’y a pas à l’heure actuelle d’application industrielle. Cependant, à la fois les procédés, les céramiques bio-inspirées et leurs performances jusqu’ici obtenues seront détaillés dans la dernière partie de l’article.