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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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4. Vers de nouveaux ultra-durs
4.1 Contexte scientifique
Dans le cadre des problèmes techniques soulevés par l'utilisation du diamant à l'échelle industrielle, hormis son coût, une mouvance à l'échelle internationale tant académique qu'industrielle s'est mise en place dès la deuxième moitié des années 1980. Nous soulignons ici celle d'un réseau européen TMR (Training and Mobility of Researchers « Nouveaux Composés Carbonés Ultra-Durs ») qui a regroupé six laboratoires partenaires de quatre pays européens, dont la France (1998-2002). Les travaux couvraient les deux aspects, expérimental (préparation des matériaux en couches minces, caractérisations mécanique, spectroscopique…) et théorique (proposition, modélisation et caractérisations) animé par l'auteur. Les études sur de nouveaux matériaux ultra-durs résistant à l'abrasion comme les trépans de forage équipés de picots diamantés, utilisés dans les procédés d'évacuation de chaleur ou destinés aux enrobages de protection de pièces mécaniques, ont été menées par des industriels comme la compagnie Sandvik. En se basant sur les éléments légers de la même période que le carbone, des carbonitrures binaires et ternaires borés de formule générale B x C y N z ont pu être proposés grâce à leur possibilité de contracter des liaisons courtes et fortement covalentes, tout comme dans le diamant.
Les travaux ciblés vers de nouveaux ultra-durs ont été plus particulièrement initiés, en amont, par Liu et Cohen, qui ont prédit de manière théorique que C3N4-β (cf. figure 9 c ) possède une dureté proche de celle du diamant, soit B = 433 GPa. Devant un tel défi, plusieurs expérimentateurs se sont penchés sur les voies de synthèse permettant, d'une part, d'isoler la composition riche en azote (rapport
), d'autre part, d'obtenir la phase tridimensionnelle prédite par les théoriciens. En fait, la synthèse en phase cristalline pure s'est avérée...
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Vers de nouveaux ultra-durs
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).
-
...
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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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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