C’est cher. C’est fragile. Cependant, il commence à être utilisé pour remplacer l’acier dans les moteurs, les avions à réaction et même dans le corps humain.
C’est le paradoxe des céramiques structurelles avancées. Pendant des décennies, ils ont été considérés comme des matériaux de niche. Trop fragile pour un usage général et trop cher pour un usage de masse. Mais dans un environnement où l’on mange du métal au petit-déjeuner, la céramique est la seule option. Nous parlons de chaleur élevée, de corrosion profonde et de frottement intense. Dans ces zones, les fortes liaisons chimiques qui rendent la céramique dure la rendent dure. Les choses difficiles éclatent.
Le problème n’est pas un manque de force. Le problème est que nous manquons de ténacité. Des fissures ont commencé à apparaître, puis ils se sont enfuis. Rapidement. jusqu’à ce que le matériau se décompose.
Mais les ingénieurs ripostent. Les chercheurs ont trouvé un moyen d’éviter les fissures sur leurs chenilles en modifiant la microstructure. Ils tentent de transformer des céramiques fragiles en quelque chose qui se comporte davantage comme de l’acier. Ce n’est pas de la magie. C’est de la micro-ingénierie.
Voici comment ils procèdent.
Pourquoi la céramique est importante (si le métal tombe en panne)
Premièrement, nous devons dissiper un malentendu. Les céramiques structurelles avancées ne sont pas utilisées dans la construction d’un pont. Leurs coûts élevés et leurs propriétés mécaniques variables rendent difficiles les calculs sûrs. Ce sont des alternatives coûteuses aux métaux et aux polymères.
Mais considérons l’intérieur d’un moteur de voiture. Ou des pales de turbine à réaction. Ou l’implant de hanche chez un patient.
Dans ces cas-là, il faut des matériaux capables de résister :
Chaleur extrême pour qu’il ne fonde pas ou ne se déforme pas.
* Corrosion chimique ou liquide corporel.
* Érosion causée par des particules d’usure ou un frottement constant.
Le métal fond. Le polymère brûle. Les composites se délaminent. Céramique? Ils restent là, chimiquement inertes et thermochimiquement stables.
Prenons l’exemple de l’équipement de traitement des minéraux. broyer les roches en poussière. L’acier ordinaire s’use en quelques mois. Les céramiques de haute qualité sont très résistantes à l’usure et peuvent être utilisées pendant de nombreuses années. Ou envisagez des substituts osseux. Le corps est un environnement très corrosif. Les métaux se corrodent et libèrent des ions toxiques. Certaines céramiques sont biocompatibles et chimiquement inertes. Ils ne réagissent pas. Ils tiennent juste la charge.
“Les céramiques ont des liaisons chimiques fortes, elles résistent donc à des conditions très difficiles.”
Cette durabilité vient du niveau atomique. Les liens sont si solides et ne se déforment pas facilement. Mais cette même résistance signifie qu’ils n’abandonneront pas. Ils ne s’étirent pas. Ils cassent.
Afin de les rendre adaptés aux applications structurelles quotidiennes, le problème de la fragilité doit être résolu. arrêter les fissures.
Défaut fragile
Le plus grand obstacle à l’utilisation de ces matériaux partout est leur sensibilité inhérente aux défauts. Les céramiques ne sont pas uniformes. Il y a un petit défaut. Vides microscopiques. petite fissure.
Les métaux se déforment lorsqu’une pression leur est appliquée. Ça s’étire. Il absorbe de l’énergie. Dans la céramique, les contraintes sont concentrées aux extrémités des petits défauts. Propagation des fissures. Soudain, toute l’assemblée échoua.
Ce n’est pas un petit problème. Il s’agit d’une limitation fondamentale du matériau. La réalisation de céramiques structurelles avancées nécessite que la céramique réagisse aux contraintes. L’énergie nécessaire à la propagation des fissures doit être augmentée.
Il existe trois manières principales de procéder.
Renforcement des céramiques : modifications de la microstructure
Une solution consiste à modifier la structure interne de la céramique. Au lieu d’utiliser un maillage uniforme de particules, les ingénieurs créent des microstructures à l’aide de grains fibreux ou entrelacés.
Pensez-y comme à des barres d’armature dans du béton. Cependant, les barres d’armature font partie de la céramique elle-même.
Lorsqu’une fissure tente de traverser ce matériau, elle heurte un obstacle. Vous ne pouvez pas aller tout droit. Il faut dévier. Il faut zigzaguer. Cela augmente la longueur du chemin de fissure. Un chemin de fissure plus long signifie que plus d’énergie est nécessaire pour la déplacer.
Dans le même temps, les particules situées derrière le fond de fissure comblent le vide. maintenez la fissure fermée. Ils fonctionnent comme des petits points.
Ceci est réalisé avec des composites céramiques renforcés de moustaches et des composites céramiques renforcés de fibres. En conséquence, la zone de fracture augmente considérablement. Le matériau absorbe plus d’énergie avant de se briser. Il ne s’agit plus d’une simple rupture nette. Il s’agit d’un processus complexe et gourmand en énergie.
Microfissures : Lâchez prise et passez à autre chose
Le deuxième mécanisme est contre-intuitif. Cela signifie la création intentionnelle de petites fissures. Au lieu de cela, laissez-le se former de manière contrôlée.
Cela se produit dans les céramiques polycristallines monophasées avec anisotropie de grain. Leurs propriétés varient selon la direction. Il convient également aux microstructures polycristallines biphasées ciblées.
C’est ce qui s’est passé. À mesure que la fissure principale s’approche, des microfissures plus petites s’ouvrent des deux côtés de celle-ci. C’est au bout de la fissure.
Cela répond à deux objectifs.
Premièrement, de l’énergie est dépensée pour ouvrir ces fissures secondaires. Cela rend moins d’énergie disponible pour la propagation de la fissure principale. C’est comme payer le péage et passer à autre chose.
Deuxièmement, et c’est important, les microfissures qui suivent la fissure principale augmentent le volume. Cette extension vise à fermer la fissure principale. Plus la fissure se propage, plus la résistance à la propagation est grande. À mesure que la pression augmente, le matériau se répare lui-même ou du moins résiste à d’autres dommages.
Il s’agit d’un système de défense passif. C’est inscrit dans l’ADN du matériau.
Amplificateur à changement de phase : Acier céramique
C’est l’approche la plus prometteuse. Et ça change la donne.
C’est ce qu’on appelle le durcissement par transformation. Transforme la céramique en quelque chose comme de l’acier.
Le matériau prototype est l’oxyde de zirconium (dioxyde de zirconium, ZrO2).
La zircone pure change radicalement lorsqu’elle est refroidie en dessous de 1 150 °C (2 100 °F). La forme du cristal passe de tétragonale à monoclinique. Ce n’est pas un changement subtil. Le volume a augmenté de 3%.
Cette expansion provoque souvent des fissures ou un effritement du matériau. Mais les ingénieurs ont trouvé un moyen de l’exploiter.
Ils comportent de très fines particules tétragonales dispersées dans une matrice de zircone cubique ou d’alumine. Les particules mesurent moins de 1 micron. Un contact étroit avec la matrice maintient la structure tétragonale stable à température ambiante. La pression est forte, mais elle est toujours là.
Puis la fissure s’est approchée.
Le champ de contraintes précédant la fissure déclenche la transformation. Les grains tétragonaux deviennent monocliniques. Ils l’agrandissent.
Cette expansion applique une force de fermeture à la fissure qui avance. C’est comme presser des tubes de dentifrice par derrière. La pression exerce une pression sur la fissure, provoquant sa fermeture.
Une zone de traitement se forme derrière la fissure, où toutes les particules sont transformées. Un volume cumulé accru crée une plus grande résistance. Plus la fissure est longue, plus la résistance est grande.
Ces céramiques sont souvent appelées « aciers céramiques ». Pourquoi? En effet, la réponse à la contrainte est similaire à celle de l’acier. Ils ne se brisent pas. Cela devient un peu déformé. Ils cèdent.
La transformation de phase de base est martensitique. C’est le même mécanisme qui produit de la martensitique dans l’acier refroidi rapidement. Nous avons emprunté aux métaux les meilleures techniques de la nature et les avons appliquées à la céramique.
La voie vers l’avenir
Nous n’apprenons pas seulement ces matériaux. Nous les concevons.
les céramiques trempées offrent un large éventail de possibilités. Des générateurs qui fonctionnent plus efficacement à des températures plus élevées, aux véhicules aérospatiaux qui peuvent résister aux températures de rentrée sans fondre. Des broyeurs industriels qui n’ont jamais besoin d’être remplacés aux implants médicaux qui durent toute une vie.
Des obstacles demeurent. Variabilité des propriétés. La complexité de la fabrication. Coût.
Mais la science est solide. Les méthodes de durcissement fonctionnent. Les matériaux sont prêts.
Nous avons juste besoin de l’augmenter. Ils ont toujours vocation à devenir une réalité quotidienne.
Le calcul de la rupture
La ténacité des céramiques renforcées est bien inférieure à celle des métaux, mais elle est nettement meilleure que celle des vitrocéramiques ordinaires. Pour comprendre pourquoi c’est important, il faut regarder les chiffres. La ténacité à la rupture, notée KIc, mesure l’intensité de contrainte à laquelle les fissures commencent à se former. L’unité est le produit des mégapascals par le temps et les mètres. C’est une mesure précise de la fragilité.
Le verre se situe au bas de l’échelle et a une valeur KIc de 1. Il est très cassant. Cassez-le et il se brise. Les métaux sont assis en hauteur. Les alliages d’aluminium oscillent entre 30 et 45. Les aciers poussent vers 40-65. C’est un grand écart.
De la céramique traditionnelle ? Ils siègent dans le 3-4. Presque la même chose que le verre. Si vous laissez tomber la plaque en céramique, elle risque de se briser. Les composites renforcés de particules augmentent légèrement jusqu’à 4-6. Encore fragile. Mais l’ajout de moustaches et de fibres déplace l’aiguille. Les composites renforcés par des moustaches ont un score de 8 à 10 pour les composites renforcés par des moustaches. Ceux renforcés par des fibres peuvent en avoir 10 à 25.
Vient ensuite la zircone renforcée par transformation (TTZ). Ces matériaux se situent dans la fourchette 6-15. Ce domaine est important. Il permet au roulement à billes TTZ de rebondir à plusieurs reprises contre le sol en béton. Aucun dommage visible. On pourrait penser que ce genre d’abus ferait craquer la céramique. Ce n’est pas le cas. La microstructure absorbe les chocs.
Le prix de la résilience
Si ces matériaux sont si résistants, pourquoi ne sont-ils pas partout ? Les coûts de production sont élevés.
La céramique ne peut remplacer les métaux que si elle présente un avantage économique évident. Ils doivent économiser de l’argent par d’autres moyens. Des températures de fonctionnement plus élevées sont peut-être possibles. Peut-être que ça durera plus longtemps. Si une pièce en céramique coûte deux fois plus cher mais dure trois fois plus longtemps, les acheteurs pourraient s’en soucier. Et si cela coûtait deux fois plus cher et se cassait tout autant ? Personne ne l’achèterait.
Il existe également des défauts thermiques. Ces propriétés renforcées disparaissent généralement lorsque l’objet est chauffé. À mesure que la température augmente, la force motrice du changement de phase diminue. Finalement, il a disparu. Le matériau perd de sa résistance. Il est revenu à un état fragile.
Les moustaches et les fibres des composites à matrice céramique sont confrontées à un autre problème : l’oxydation. ils se dégradent à haute température. Pour cette raison, ce sont des agents de renforcement efficaces. La matrice retrouve un comportement fragile. Les ingénieurs ont encore du mal à concevoir des microstructures qui restent résistantes même lorsqu’elles sont chauffées. Cela reste un grand défi dans l’ingénierie céramique.
Où ils habitent
Des céramiques structurelles avancées sont déjà utilisées. Ces applications sont couvertes dans les articles correspondants sur les céramiques nucléaires, les biocéramiques, les céramiques tribologiques et les céramiques automobiles. Ce ne sont pas seulement des concepts théoriques. On les trouve dans les moteurs, les implants, les machines industrielles, etc.
Ils valorisent également les usages traditionnels. Les matériaux réfractaires et les abrasifs voient leurs performances et leurs propriétés d’abrasion améliorées. Les caractéristiques de base restent inchangées, mais la structure est devenue plus solide. Plus dur. Il est plus résistant à la chaleur et à l’usure.
L’écart entre la céramique et les métaux se réduit dans certains domaines. Il ne ferme pas partout. La barrière des coûts est réelle. Les limites thermiques sont réelles. Cependant, dans les applications où le poids, la résistance à la chaleur et à la corrosion sont plus importants que le prix d’achat initial, la céramique prend le dessus. Le prochain obstacle est de savoir s’ils peuvent survivre à des températures élevées sans perdre en résistance.
