Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
A travers le monde, la demande industrielle en matériaux dits ultra-durs se chiffre à plusieurs milliards d'euros. Le diamant, constituant l'archétype de cette classe de matériaux, est utilisé en revêtement ou de manière directe. Cependant, en plus de son coût prohibitif, ses applications sont sujettes à des limitations de nature thermochimique. De nouveaux matériaux ultra-durs sont alors nécessaires et leur conception fait appel à une caractérisation préalable à la synthèse, s'appuyant sur l'outil numérique dans un cadre théorique fiable. Cet article fait l'état des lieux du domaine et propose une démarche pour la mise en œuvre de nouvelles compositions susceptibles de présenter un comportement ultra-dur.
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The worldwide industrial demand for ultra-hard materials amounts to several billion Euros. The diamond, the archetype of this class of materials, is used either directly or as a coating. However, in addition to its prohibitive cost, its applications are also subjected to thermochemical limitations. New ultra-hard materials are thus necessary and their conception has to be characterized prior to synthesis based on digital tools within a reliable theoretical framework. This article reviews this domain and offers a process for the implementation of new components which are likely to exhibit ultra-hard behavior.
Auteur(s)
-
Samir MATAR : Directeur de recherche au CNRS - CNRS, ICMCB, université Bordeaux 1 - Directeur du Mésocentre régional aquitain (M3PEC) de calcul scientifique intensif
INTRODUCTION
Les ultra-durs sont des matériaux qui, comme le diamant ou le nitrure de bore cubique, présentent des propriétés mécaniques et physico-chimiques exceptionnelles. Leur mise en œuvre est à la base des tâches industrielles comme la découpe, l'abrasion, les forages, etc. Le diamant qui, dans sa forme cubique, est le matériau naturel le plus dur connu, est aussi l'ultra-dur le plus utilisé dans l'industrie, comme revêtement ou de manière directe. Sa synthèse à l'échelle industrielle, compte tenu du coût prohibitif du diamant naturel, est donc un impératif. Cependant, aux problèmes de coûts s'ajoutent des restrictions d'ordre thermochimique. En effet, son usage dans la découpe et l'usinage de pièces à base de fer est contre-indiqué compte tenu de son instabilité en température (870 K sous oxygène est une température effectivement atteinte par friction) conduisant à la dégradation non seulement du diamant lui-même, mais également de la pièce à usiner (modification locale de la composition chimique par insertion d'atomes de carbone excédentaires).
Pour les multinationales telles que General Electric, Sandvik, Norton US, De Beer..., la production de matériaux ultra-durs se chiffre en plusieurs milliards d'euros. Une recherche en amont s'impose donc dans un tel contexte pour mieux comprendre les liens entre propriétés mécaniques, liaison chimique et structure cristalline. L'objectif in fine est d'optimiser l'utilisation des matériaux connus, d'une part, et surtout de pouvoir prédire de nouveaux matériaux aux propriétés mécaniques comparables tout en étant moins fragilisés dans les conditions d'utilisation, d'autre part. Pour cette raison, et afin de remplacer le diamant dans différentes applications, de nouveaux matériaux ultra-durs ont été recherchés. L'outil numérique dans son aspect prédictif vient alors en appui de la synthèse par sa détermination, en amont, des propriétés physico-chimiques attendues, notamment la dureté.
Cet article, rédigé à l'intention de l'ingénieur en sciences des matériaux, s'attache à examiner cette thématique. Les différentes voies possibles de synthèse des matériaux ultra-durs sont présentées, ainsi que les différentes approches du concept de dureté. La prise en compte de la résistance mécanique aux changements de volume et de forme nous conduira à introduire des notions bien connues des mécaniciens des matériaux (modules de compressibilité et de cisaillement, constantes élastiques...), pour aborder, ensuite, la présentation des nouveaux matériaux ultra-durs et le cadre théorique des calculs.
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Présentation
Synthèses de matériaux ultra-durs
En anglais
6. Conclusion et perspectives
Après la présentation du contexte d'utilisation des ultra-durs les plus connus, le diamant et le nitrure de bore cubique et leurs voies de synthèse, les critères définissant la dureté ont été développés ainsi que les aspects physico-chimiques pouvant servir de guides vers de nouveaux systèmes. Un accent particulier a été mis sur l'importance complémentaire de l'obtention de modules d'incompressibilité B et de cisaillement G. Cela a été illustré pour C3N4-β qui, tout en étant un matériau ultra-dur de par sa valeur élevée de module d'incompressibilité, proche de celui du diamant, présente néanmoins des propriétés d'élasticité intéressantes par la plus faible amplitude de son module de cisaillement G. Cela a permis une ouverture vers la mise en évidence de nouvelles compositions dans le ternaire d'éléments légers : B, C, N, au sein duquel de nouveaux nitrures binaires comme C11N4 ont été proposés comme de nouveaux candidats ultra-durs, malgré une enthalpie de formation positive. De nouveaux ternaires tridimensionnels ont été également identifiés avec un comportement mécanique d'ultra-durs, comme BC2N avec des modules B et G intermédiaires entre ceux du diamant et de BN-c. Ces phases ont été caractérisées parmi les formes les plus stables et apparaissent comme les meilleures candidates pour le remplacement de BN cubique ou du diamant dans différentes applications mécaniques. En outre, l'enthalpie molaire standard de la réaction de formation a été également évaluée exothermique (≈ – 133 kJ/mole), ce qui est en faveur du dépôt de BC2N sous forme cristalline dans des conditions de température et de pression relativement faibles par rapport aux nitrures de carbone qui possèdent des enthalpies de formation positives. Enfin, il a été démontré, sur les cas d'école du graphite et du diamant, que la spectroscopie sondant les états électroniques profonds (ELNES) est un outil indiqué pour distinguer les types d'hybridation sp2 (systèmes modèles 2D) et sp3 (systèmes modèles 3D). De telles signatures seront susceptibles d'identifier les phases cristallines pures au sein d'échantillons polymorphes.
La prospection de systèmes composites en mono ou multicouches: diamant-CNx , BN-CNx ..., tant sur le plan expérimental...
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Conclusion et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AUTHIER (A.) - Cristallographie géométrique. - [A 1 305] Base documentaire « Physique-Chimie » (1993).
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(2) - AVERBUCH (P.) - Structure électronique des solides. - [A 1 335] Base documentaire « Physique-Chimie » (1998).
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(3) - PETITET (J.-P.) - Action de la pression sur les édifices moléculaires solides. - [AF 3 571] Base documentaire « Physique-Chimie » (2003).
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(4) - AUDISIO (S.) - Dépôts chimiques à partir d'une phase gazeuse. - [M 1 660] Base documentaire « Traitement des métaux » et « Traitements de surface » (1985).
-
(5) - FELDER (E.) - Dureté des corps et analyse qualitative. - [M 4 154] Base documentaire « Étude et propriétés des métaux » (2005).
-
...
ANNEXES
Cet article est rédigé de manière que sa lecture se suffise à elle-même pour la compréhension des matériaux ultra-durs. Cependant, le lecteur pourrait compléter ses connaissances avec les références suivantes.
MATAR (S.F.) - BETRANHANDY (E.) et al - Structural geomimetism : A conceptual framework for devising new materials from first principles. - Progress in Solid State Chemistry, 34, p. 21-66 (2006).
BETRANHANDY (E.) - Proposition et études ab initio des stabilités relatives de nouveaux matériaux par géomimétisme structural : Modélisation des propriétés physico-chimiques. - Thèse de doctorat, université Bordeaux 1 (2005).
MATTESINI (M.) - Proposition et modélisation ab initio de nouveaux matériaux ultra-durs dans le ternaire BCN. - Thèse de doctorat, université Bordeaux 1 (2001).
HERTZBERG (R.W.) - Deformation and fracture mechanics of engineering materials. - 3e édition, Wiley, New-York (1989).
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