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RÉSUMÉ
Cet article se focalise sur les propriétés mécaniques des matériaux nanostructurés, dont les applications ne cessent de se développer. Les particularités structurales de ces matériaux à l’échelle nanométrique sont favorables à des valeurs élevées de limite d’élasticité ou de résistance à la rupture. À l’opposé, les résistances à la propagation des fissures de fatigue et au fluage n’augmentent pas avec la diminution de la taille de grain. Ainsi, quels procédés retenir pour élaborer des matériaux nanostructurés à fonction mécanique, dépôts progressifs d’atomes ou transformations de la structure macroscopique ? Des résultats expérimentaux ont permis de valider les prévisions de l’approche théorique.
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Dominique FRANÇOIS : Professeur honoraire de l'École centrale de Paris
INTRODUCTION
Les nanomatériaux font l'objet de nombreuses recherches, sont en plein développement et trouvent des applications diverses. Leur importance a été notamment soulignée dans les articles [MA 4 026] « Nanomatériaux : structure et élaboration » et [MA 4 027] « Nanomatériaux : propriétés et applications » des Techniques de l'Ingénieur. Comme ce domaine évolue rapidement et qu'il recouvre une grande variété d'aspects, le présent article apporte des compléments concernant essentiellement les propriétés mécaniques des matériaux nanostructurés et certaines techniques d'élaboration.
En effet, le terme nanomatériau désigne aussi bien des matériaux divisés à l'extrême que des matériaux possédant des structures à l'échelle nanométrique. Les problématiques concernant ces divers types de nanomatériaux ne sont pas les mêmes. Selon les cas, elles sont d'ordre physique, chimique ou mécanique. Les traiter toutes aboutirait à un exposé disparate. Il semble donc préférable de se limiter à un aspect, ici celui des propriétés mécaniques, en vue précisément d'utiliser les nanomatériaux dans des structures de fonction mécanique. C'est pourquoi il va s'agir essentiellement de l'examen des matériaux nanostructurés, et encore pas de tous. Ils peuvent être classés en quatre catégories correspondant à leur dimensionnalité :
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dimension 0 pour des matériaux contenant des amas nanométriques ;
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dimension 1 pour ceux qui incorporent des nanotubes ou des fils nanostructurés et des multicouches d'épaisseurs nanométriques ;
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dimension 2 pour des couches nanostructurées ;
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dimension 3 pour des solides équiaxes nanostructurés. Gardant à l'esprit la fonction mécanique, les amas, les nanotubes interviendront comme renforts dans des matériaux qui possèdent en dehors de ceux-ci une microstructure classique. Il sera ici principalement question des fils et des solides équiaxes nanostructurés. Une classification supplémentaire intervient selon que les matériaux sont monophasés ou polyphasés .
Il existe déjà de copieux articles sur les propriétés mécaniques des matériaux nanostructurés. En particulier la présente synthèse doit beaucoup à celles de Meyers, Mishra et Benson et de Baró et co. . Par ailleurs Tjong a consacré un article très détaillé aux composites polymériques renforcés par des nanomatériaux . Une importante revue bibliographique est celle de Tjong et Haydn . Les références bibliographiques indiquées ne sont pas du tout exhaustives. Elles sont là seulement pour fournir des exemples caractéristiques.
Dans une première partie seront étudiées les raisons qui incitent à rechercher la diminution aussi forte que possible de la taille de la microstructure. Il est, en effet, bien connu que la limite d'élasticité, la résistance à l'amorçage des fissures de fatigue et la résistance à la rupture sont d'autant meilleures que la taille de grain est petite . Mais c'est le contraire lorsque sont considérées les résistances à la propagation des fissures de fatigue et au fluage. Selon nos connaissances sur les mécanismes en jeu, qu'est-il possible d'envisager à l'échelle nanométrique ?
Il faudra ensuite voir comment peuvent être obtenus des matériaux nanostructurés. Seront avant tout envisagés ceux de dimensions macroscopiques, éventuellement utilisables dans des structures à fonction mécanique.
La dernière partie, enfin, montrera les résultats expérimentaux qui ont pu être obtenus avec des matériaux nanostructurés. On verra donc si les prévisions issues des considérations développées dans la première partie peuvent être ou non vérifiées.
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Application des modèles aux matériaux nanostructurés
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4. Conclusion
Diverses techniques ont fait leurs preuves pour la fabrication de matériaux à grains ultra-fins et de matériaux nanostructurés. L’extrusion en canal coudé est une des plus utilisées, car elle permet d’obtenir des produits de taille intéressante mais dont la taille de grains n’atteint pas les dimensions nanométriques. Les techniques exploitant les dépôts électrolytiques devraient se développer.
L’intervention du fluage de Coble et des glissements des joints de grains en dessous d’une taille de grains critique ne permet pas d’atteindre les limites d’élasticité que laisserait espérer la loi de Hall-Petch pour les matériaux nanostructurés. Leur manque d’écrouissage favorise les instabilités plastiques et leur ductilité est de ce fait très réduite. La limite d’endurance des matériaux à grains ultra-fins est meilleure que celle des matériaux de tailles de grains habituelles. Mais leur résistance à la propagation des fissures ainsi que leur durée de vie en fatigue plastique oligocyclique sont détériorées.
On constate donc que du point de vue des propriétés mécaniques, les matériaux nanostructurés ne présentent pas d’avantages marquants, au contraire. Se limiter aux matériaux à grains ultra-fins (de l’ordre de la centaine de nanomètres) est la solution qui semble s’imposer. Ceci ouvre la voie à des applications intéressantes au prix de recherches qui méritent encore bien des développements : mécanismes de déformation par études de l’influence de la température et de la vitesse de déformation, études de la fatigue, de la rupture, du fluage, accompagnées évidemment d’observations par diverses techniques expérimentales.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SIEGEL (R.W.) - * - . – Mechanical Properties and Deformation Behavior of Materials having Ultrafine Microstructures, in Nastasi M., Parkin D.M. and Gleiter H., p. 509 (1993).
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(2) - MEYERS (M.A.), MISHRA (A.), BENSON (D.J.) - Mechanical Properties of Nanocrystalline Materials - Progress in Mater. Science, 51, pp. 427-556 (2006).
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(3) - BARO (M.D.), KOLOBOV (Yu.R.), OVID’KO (I.A.), SCHAEFER (H.-E.), STRAUMAL (B.B.), VALIEV (R.Z.), ALEXANDROV (I.V.), IVANOV (M.), REIMAN (K.), REIZIS (A.B.), SURINASH (S.), ZHILYAEV (A.P.) - Diffusion and Related Phenomena in Bulk Nanostructured Materials - Rev. Adv. Mater. Sci., 2, pp. 1-43 (2001).
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(4) - TJONG (S.C.) - Structural and Mechanical Properties of Polymer Nanocomposites - Mater. Sci. and Eng. : R : Reports, 53, pp. 73-197 (2006).
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(5) - TJONG (S.C.), HAYDN (C.) - Nanocrystalline Materials and Coatings - Mater. Science and Techno., R45, pp. 1-88 (2004).
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