Figurant parmi les plus anciennes céramiques avancées, la céramique Al₂O₃ (céramique d'alumine) possède des propriétés exceptionnelles inégalées par les autres matériaux céramiques. Parmi celles-ci, on compte un faible coût, une résistance et une dureté élevées, une excellente résistance à la chaleur, à l'usure et à la corrosion. Les céramiques d'alumine sont largement utilisées dans les domaines de la défense nationale, de l'aérospatiale et du biomédical.
Cependant, comme de nombreuses céramiques monophasées, la disposition atomique de la structure cristalline de l'Al₂O₃ l'empêche de subir une déformation plastique comme les métaux. Par conséquent, lors de la fracture, hormis la création de nouvelles surfaces de fissures augmentant l'énergie de surface, la dissipation d'énergie est limitée. Ceci entraîne une faiblesse critique des céramiques d'alumine : la fragilité.
Bien que la fragilité des céramiques d'alumine soit fondamentalement difficile à modifier, il existe des méthodes pour l'améliorer. Après des années de développement, plusieurs approches ont émergé pour améliorer sa ténacité, principalement par l'introduction de phases de durcissement dans la matrice céramique.
1 Durcissement des particules
La trempe particulaire est l'un des moyens les plus simples d'améliorer la ténacité de la céramique. Pour Al₂O₃
céramiques, les particules de durcissement sont généralement des particules métalliques ductiles ou des particules non métalliques à module d'élasticité élevé.
En tant que phases de durcissement, les particules métalliques améliorent la ténacité principalement par des mécanismes tels que l'arrachement des particules et la déformation plastique, qui provoquent la déformation des fissures dans la matrice Al₂O₃. De plus, les particules métalliques peuvent inhiber la croissance des grains d'Al₂O₃ pendant le frittage, améliorant ainsi ses propriétés de frittage. Les particules métalliques courantes comprennent Al, Ni, Ti, Cu et Fe.
Cependant, comme les particules métalliques ont généralement un module d'élasticité inférieur à celui de l'Al₂O₃, les composites obtenus ont tendance à présenter une dureté et une résistance moindres. En revanche, les particules non métalliques à module d'élasticité élevé, telles que SiC, Si₃N₄ et TiC, peuvent également améliorer la ténacité grâce à des mécanismes tels que l'arrachement des particules, le blocage, la déflexion et le pontage des fissures.
2 Transformation Durcissement
Le ZrO₂ pur (zircone) subit une transformation de phase à l'état solide vers 1 000 °C : de la phase tétragonale (t) à la phase monoclinique (m). Cette transformation martensitique provoque une expansion volumique d'environ 3% à 5%.
Lorsque les fissures atteignent une région t-ZrO₂, le champ de contrainte de la pointe de la fissure induit une zone de transformation.
Dans cette zone, le t-ZrO₂ se transforme en m-ZrO₂, absorbant l'énergie provenant à la fois de la création de surface et de l'expansion volumique. Cette transformation de phase produit une contrainte de compression à la pointe de la fissure, ce qui contribue à bloquer sa propagation.
Cela réduit le facteur d'intensité de contrainte à la pointe de la fissure, améliorant ainsi la résistance du matériau à la propagation des fissures. En d'autres termes, la transformation dissipe l'énergie externe, améliorant ainsi la ténacité à la rupture.
La combinaison de ce mécanisme avec la microfissuration et le durcissement par contrainte résiduelle dans une matrice Al₂O₃ forme des céramiques ZTA. Les céramiques ZTA (alumine durcie à la zircone) présentent une ténacité nettement améliorée par rapport aux céramiques Al₂O₃ pures.
3. Renforcement des fibres et des moustaches
Des fibres ou whiskers peuvent être introduits de manière contrôlée dans la matrice céramique. Ces fibres remplissent deux fonctions :
Ils contribuent à répartir la charge externe, exploitant la résistance élevée des fibres ou des whiskers. Ils forment une interface faiblement liée à la matrice céramique, créant ainsi un système absorbant l'énergie externe et atténuant la fragilité.
Depuis leur découverte, les nanotubes de carbone et le graphène constituent des sujets de recherche de pointe en science des matériaux. Des études récentes ont intégré ces nanomatériaux dans des céramiques d'alumine et ont montré qu'ils contribuaient significativement à la solidification de la matrice céramique.
4 Durcissement hybride
À mesure que la recherche sur la trempe des céramiques d’alumine a progressé, une approche de trempe multi-mécanismes – la trempe hybride – a été développée pour combiner les avantages de différentes méthodes individuelles et compenser leurs lacunes.
Cette stratégie synergique consiste à utiliser simultanément deux ou plusieurs mécanismes de renforcement pour améliorer la résistance globale. Elle a suscité un vif intérêt de la part des chercheurs. Parmi les combinaisons hybrides de renforcement les plus courantes, on peut citer :
• Durcissement des particules/barbillons
• Durcissement par particules/transformations
• Transformation/durcissement des moustaches
• Graphène (ou nanotubes de carbone)/particules (ou transformation, moustaches)
Par exemple, il a été démontré que la combinaison du durcissement par transformation ZrO₂ avec le renforcement des barbes dans les céramiques Al₂O₃ produit un effet de durcissement considérablement amélioré.
5 Renforcement par la nanotechnologie
En 1987, le chercheur allemand Karch et ses collègues ont été les premiers à signaler que les nanocéramiques présentaient à la fois une ténacité élevée et une superplasticité à basse température. Leurs découvertes ont révélé le potentiel exceptionnel des nanocéramiques et ont ouvert une nouvelle voie pour surmonter le problème persistant de la fragilité des céramiques.
En 1990, le célèbre scientifique John Cahn déclarait : « Les nanocéramiques sont une solution stratégique à la fragilité de la céramique. »
D'une part, les nanocéramiques présentent des grains affinés et un nombre considérablement accru de joints de grains. De plus, une fois la taille des pores et des défauts réduite en dessous d'un seuil critique, ils ne compromettent plus la résistance macroscopique du matériau. Par conséquent, la résistance et la ténacité peuvent être considérablement améliorées.
D'autre part, l'incorporation de phases dispersées à l'échelle nanométrique dans la matrice céramique améliore non seulement la résistance et la ténacité, mais améliore également la résistance aux températures élevées, la dureté, le module d'élasticité et la résistance au fluage à haute température.
Par conséquent, les approches de nanostructuration et de nanocomposite sont devenues certaines des stratégies les plus importantes et les plus prometteuses pour améliorer la ténacité à la fracture des céramiques d’alumine.
6 Auto-durcissant
Les céramiques Al₂O₃ auto-trempées sont élaborées par ajout d'additifs ou de germes cristallins pour induire une croissance anisotrope de grains d'Al₂O₃ équiaxes en plaques, en tiges ou en colonnes allongées. Les mécanismes de trempe mis en œuvre sont similaires à ceux du renforcement par barbes et incluent le pontage des fissures, la déflexion des fissures et l'arrachement des grains, le pontage des fissures étant le mécanisme dominant.
Cette approche a été largement étudiée et s’avère très prometteuse pour améliorer la ténacité des céramiques d’alumine en tirant parti de l’évolution microstructurale du matériau.
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