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RÉSUMÉ
Les phases MAX sont des carbures et nitrures ternaires qui associent remarquablement des propriétés typiques à la fois des métaux et des céramiques. Ils ont une bonne conductivité thermique et électrique, une usinabilité, ainsi qu'une tolérance à l’endommagement et une résistance à l’oxydation à
haute température.
Cette combinaison unique leur confère un potentiel fort comme matériaux structurels et fonctionnels, notamment en environnement sévère (hautes températures, oxydation, irradiation...).
Cet article traite des différentes voies d’élaboration, propriétés, applications et de leur positionnement face aux céramiques techniques et aux alliages métalliques hautes températures existants.
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MAX phases are ternary carbides and nitrides and combine in a unique way, properties of both ceramics (refractory, high stiffness, low density) and metals (damage tolerance, thermal shock resistance, high thermal and electric conductivity). This unique combination gives them a strong potential as structural and functional materials especially in harsh environments (high temperatures, oxidation, irradiation...).
In this article, an overview of their synthesis, properties and applications is given, together with a comparison with existing high temperature materials.
Auteur(s)
-
Frédéric MERCIER : Chargé de Recherche au CNRS, Laboratoire SIMaP (UMR 5266) France
INTRODUCTION
Le manque de plasticité des céramiques limite grandement leur champ d’application dans le domaine des matériaux de structure. Plusieurs voies sont explorées pour augmenter la ténacité et la résistance à la rupture :
-
dispersion de particules ;
-
conception de céramiques à matrice céramique (CMC) ;
-
architecturation pour imiter les matériaux naturels comme la nacre.
Toutes ces solutions permettent un réel gain en performance et sont basées sur la possibilité de rendre le matériau moins sensible aux fissures.
L’amélioration des propriétés mécaniques peut également être possible par la formulation de nouvelles céramiques.
Dans la classe des céramiques techniques, les phases MAX constituent une famille tout à fait unique. Elles combinent avantageusement certaines propriétés des céramiques et des métaux :
-
réfractarité ;
-
module de Young élevé ;
-
densité modérée ;
-
résistance à l’oxydation ;
-
usinabilité ;
-
conductivité thermique et électrique ;
-
résistance aux chocs thermiques.
Un effort de recherche important a démarré à la fin des années 1990 pour élaborer les phases MAX sous diverses formes :
-
poudres ;
-
massives ;
-
couches minces.
Ces différentes mises en forme obtenues, les efforts de recherche se sont ensuite concentrés sur l’évaluation de leurs propriétés mécaniques et fonctionnelles, ce qui a permis de les comparer avec d’autres matériaux opérant en environnement sévère.
En parallèle de l’évaluation de leurs propriétés, des méthodes de production ont été développées jusqu’à l’échelle industrielle. C’est le cas de la technique de frittage à chaud pour l’obtention de poudres et de pièces massives et la technique de pulvérisation pour l’élaboration de revêtements.
Les phases MAX sont donc relativement jeunes par rapport aux céramiques techniques. Malgré cela, elles supportent tout à fait la comparaison avec leurs aînées, voire les surpassent sur certaines propriétés structurales, tout en les combinant avec des propriétés typiquement métalliques :
-
conductivités thermique et électrique ;
-
usinabilité ;
-
résistance aux chocs thermiques.
De nombreux défis restent cependant à être relevés afin que les phases MAX puissent se développer et s’installer face aux céramiques techniques et aux alliages métalliques haute température (T > 1 000 °C).
Cet article a été écrit pour permettre une synthèse des différentes techniques de mise en forme possible, de l’élaboration à l’assemblage et à l’usinage. Il fournit également un cadre pour évaluer les différentes propriétés des phases MAX face à d’autres matériaux hautes températures comme :
-
le graphite ;
-
les alliages métalliques haute température ;
-
les céramiques techniques, y compris les CMC.
L’article fait également un tour d’horizon des applications existantes et potentielles, puis se termine sur les perspectives et les défis à relever.
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
processing | oxidation | carbides | ceramics | plasticity
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Description des phases MAX
Les phases MAX tirent leur nom de leur formule chimique :
![](figures/ul-m4790niv10001/1/nv17977130605-web.gif)
avec :
- n :
- entier entre 1 et 3,
- M :
- métal de transition des groupes 3, 4, 5 ou 6,
- A :
- élément des groupes 12, 13, 14, 15, 16 (A était l’ancienne nomenclature CAS américaine),
- X :
- carbone ou azote.
Les phases MAX sont des composés stœchiométriques lamellaires de la famille des carbures et nitrures de structure hexagonale, groupe P63/mmc (figure 1).
Les phases MAX ont été découvertes dans les années 1960 par le groupe de H. Nowotny. Peu étudiées pendant les trente années suivantes, ce n’est qu’à partir de la fin des années 1990 que des efforts de recherche ont permis d’évaluer les propriétés uniques et les potentialités de cette famille de matériaux.
Les techniques de synthèse se sont élargies et plus de 70 membres des phases MAX sont aujourd’hui synthétisés.
Les phases MAX les plus étudiées sont présentées dans le tableau de la figure 1.
Dans l’espace des matériaux, les phases MAX se situent entre les métaux et les céramiques (figure 2) et peuvent délimiter un nouvel espace de matériaux grâce à la combinaison unique de propriétés métalliques/céramiques. À une raideur élevée, elle peuvent associer une ténacité relativement élevée (figures 2 et 12) et un coefficient d’amortissement semblables aux meilleurs métaux (figure ...
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Description des phases MAX
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BARSOUM (M.W.) - MAX phases : properties of machinable ternary carbides and nitrides. - Wiley-VCH (2013).
-
(2) - ASHBY (M.F.) - Materials selection in mechanical design. - Fifth Edition. EDP Sciences (2017).
-
(3) - CHASE (M.) - Janaf thermodynamic tables. - Third edition. J. Phys. Chem., vol. 14, n° Supp. 1 (1985).
-
(4) - LOW (I.M.) - Advances in ceramic matrix composites. - Advances in Ceramic Matrix Composites (Second Edition), Woodhead Publishing (2018).
-
(5) - PANG (W.K.), LOW (I.M.), O’CONNOR (B.H.), PETERSON (V.K.), STUDER (A.J.), PALMQUIST (J.P.) - In situ diffraction study of thermal decomposition in maxthal Ti2AlC. - Journal of Alloys and Compounds, vol. 509, n° 1, p. 172-176 (2011).
-
(6) - GAO (N.), LI (J.), ZHANG (D.), MIYAMOTO (Y.) - Rapid...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Principes et applications de la technique ALD (Atomic Layer Deposition).
-
Matériaux composites à matrice céramique et à renfort par fibres longues.
ANNEXES
1.1 Laboratoires académiques et centres de recherche français et européens (liste non exhaustive)
-
IMT Mines Saint-Étienne, Centre de Microélectronique de Provence, Département d’Électronique Flexible (Gardanne, France) https://www/mines-stetienne.fr
-
IRCER – Centre Européen de la Céramique (Limoges, France) https://www.ircer.fr
-
Laboratoire LMGP, Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP (Grenoble, France) http://www.lmgp.grenoble-inp.fr
-
Laboratoire SIMAP, Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP (Grenoble, France) http://simap.grenoble-inp.fr
-
Institut Pprime, UPR 3346 CNRS, Université de Poitiers, ISAE-ENSMA, Département Physique et Mécanique des Matériaux, SP2MI Futuroscope (Chasseneuil Cedex,France) https://www.pprime.fr
-
Laboratoire d’Études des Microstructures, UMR-104 CNRS-ONERA (Châtillon, France) http://lem.onera.cnrs.fr
-
Department of Physics, Chemistry and Biology (IFM), Linköping University (Suède) https://www.ifm-lin-se
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