Bibliographie & annexes
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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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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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Résistance mécanique du solide
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2. Différentes approches de la dureté
2.1 « Le diamant est le matériau le plus dur »
Cette affirmation soulève deux questions : existe-t-il une définition pour la dureté et est-ce que l'affirmation est vérifiée ? Le terme « matériau » a trait à la combinaison de « matière » (ici, le carbone) et de « propriété » qui lui est associée (la dureté). Concernant la « matière », le carbone est un des éléments les plus communs dans la nature, entrant dans sa composition à toutes les échelles, allant de l'inerte au vivant. Il existe sous plusieurs variétés allotropiques (du grec allos = autre et tropos = matière) pouvant être classées en deux catégories principales : composés bidimensionnels (2D) et composés tridimensionnels (3D). Le fullerène C60 , découvert il y a une vingtaine d'années, peut être considéré comme « zéro-D » même si les molécules, ressemblant à des ballons de football, peuvent s'agencer en réseaux cristallins. Le graphite, de structure bidimensionnelle, est utilisé notamment comme lubrifiant du fait de ses propriétés mécaniques, les plans graphènes glissant les uns par rapport aux autres au hasard ; on parle de graphite «lubricostratique». Notons ici que les nanotubes de carbone résultent du repliement de plans graphènes pour former des tubes. À l'inverse, la dureté exceptionnelle du diamant provient de son édifice cristallin tridimensionnel compact à l'échelle microscopique. Dans sa variété la plus commune, le diamant est cubique, avec un empilement à faces centrées d'atomes de carbone et une occupation de 4 sur les 8 lacunes (trous) tétraédriques à l'intérieur du cube. La structure est montrée figure a ; le lecteur peut aisément constater que, sur les 8 positions disponibles à l'intérieur du cube, 4 seulement sont occupées. C'est un exemple patent de réseau purement covalent, cette notion pouvant être définie comme le partage égal des électrons de la liaison entre les atomes, contrairement à la liaison ionique où les électrons...
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Différentes approches de la dureté
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AUTHIER (A.) - Cristallographie géométrique. - [A 1 305] Base documentaire « Physique-Chimie » (1993).
-
(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).
-
(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).
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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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PHILIPS (J.C.) - Bonds and bands in semiconductors. - Academic Press, New York (1973).
HELLGREN (N.) - Sputtered carbon nitride thin films. - Linköping Studies in Science and Technology, Dissertation no 604, Linköping (1999).
BLAHA (P.), SCHWARZ (K.), MADSEN (G.K.H.), KVASNICKA (D.), LUITZ (J.) - Wien 2K, An...
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