Les chercheurs ont découvert un moyen de rendre la céramique furthermore solide et moreover résistante à la fissuration. En construisant ces matériaux à l’aide d’un mélange d’atomes métalliques possédant additionally d’électrons dans leur enveloppe externe, une équipe dirigée par des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego a libéré le potentiel permettant aux céramiques de supporter des niveaux de pressure et de contrainte in addition élevés qu’auparavant. Les céramiques offrent de nombreux avantages en raison de leurs propriétés remarquables, notamment leur capacité à résister à des températures extrêmement élevées, à résister à la corrosion et à l’usure des surfaces, et à conserver des profils légers. Ces propriétés les rendent adaptés à une variété d’applications telles que les composants aérospatiaux et les revêtements protecteurs pour moteurs et outils de coupe. Cependant, leur faiblesse a toujours été leur fragilité. Ils se cassent facilement sous l’effet du strain. Mais maintenant, les chercheurs ont trouvé une solution qui pourrait rendre la céramique plus difficile à briser. Ils ont récemment publié leurs travaux dans Science Developments. L’étude, dirigée par Kenneth Vecchio, professeur de nano-ingénierie à l’Université de San Diego, se concentre sur une classe de céramiques appelées carbures à haute entropie. Ces matériaux ont des buildings atomiques très désordonnées, composées d’atomes de carbone liés à plusieurs éléments métalliques des quatrième, cinquième et sixième colonnes du tableau périodique. Ces métaux comprennent par exemple le titane, le niobium et le tungstène. Les chercheurs ont découvert que la clé pour améliorer la résistance de la céramique résidait dans l’utilisation de métaux des cinquième et sixième colonnes du tableau périodique, en raison de leur nombre plus élevé d’électrons de valence. Les électrons de Valence – ceux qui résident dans la couche la furthermore externe d’un atome et qui se lient à d’autres atomes – se sont révélés être un facteur essentiel. En utilisant des métaux avec un nombre d’électrons de valence in addition élevé, les chercheurs ont réussi à améliorer la résistance du matériau à la fissuration lorsqu’il est soumis à des rates et contraintes mécaniques. « Ces électrons supplémentaires sont importants automobile ils rendent le matériau céramique plus ductile, ce qui signifie qu’il peut subir davantage de déformations avant de se briser, comme un métal », a déclaré Vecchio. Pour mieux comprendre cet effet, le groupe de Vecchio a collaboré avec Davide Sangiovanni, professeur de physique théorique à l’Université de Linköping, en Suède. Sangiovanni a effectué les simulations informatiques et l’équipe de Vecchio a fabriqué et testé expérimentalement les matériaux. L’équipe a étudié les carbures à haute entropie présentant diverses combinaisons de cinq éléments métalliques. Chaque combinaison a produit une concentration différente d’électrons de valence dans le matériau. Ils ont identifié deux carbures à haute entropie qui présentaient une résistance exceptionnelle à la fissuration sous charge ou contrainte, grâce à leurs concentrations élevées d’électrons de valence. L’un était composé des métaux vanadium, niobium, tantale, molybdène et tungstène. L’autre variante a remplacé le niobium par du chrome dans le mélange. Sous une demand ou une contrainte mécanique, ces matériaux étaient capables de se déformer ou de s’étirer, respectivement, ressemblant au comportement des métaux plutôt qu’à la réponse fragile typique de la céramique. Au fur et à mesure que ces matériaux étaient percés ou séparés, les liaisons commençaient à se rompre, formant des ouvertures de la taille d’un atome. Les électrons de valence supplémentaires autour des atomes métalliques se sont ensuite réorganisés pour combler ces ouvertures, formant ainsi de nouvelles liaisons entre les atomes métalliques voisins. Ce mécanisme préservait la structure du matériau autour des ouvertures, les empêchant efficacement de s’agrandir et de former des fissures. « Nous avons découvert que cette transformation sous-jacente se produit à l’échelle nanométrique, où les liaisons sont réorganisées pour maintenir le matériau ensemble », a déclaré le co-auteur de l’étude, Kevin Kaufmann, titulaire d’un doctorat en nano-ingénierie à l’UC San Diego. ancien élève du laboratoire de Vecchio. « Au lieu de simplement se fendre sur toute la surface area de fracture, le matériau s’effiloche lentement comme le ferait une corde lorsqu’on la tire. De cette façon, le matériau peut s’adapter à cette déformation qui se produit et ne pas se briser de manière fragile. » Le défi consiste désormais à accroître la output de ces céramiques résistantes pour des programs commerciales. Cela pourrait contribuer à transformer les systems qui reposent sur des matériaux céramiques hautes performances, des composants aérospatiaux aux implants biomédicaux. La nouvelle robustesse de ces céramiques ouvre également la voie à leur utilisation dans des applications extrêmes, telles que les bords d’attaque des véhicules hypersoniques. Des céramiques furthermore résistantes pourraient servir de défense de première ligne pour ces véhicules, protégeant les composants vitaux des impacts des débris et permettant aux véhicules de mieux survivre aux vols supersoniques, a expliqué Vecchio. « En abordant une limitation de longue date de la céramique, nous pouvons considérablement élargir leur utilisation et créer des matériaux de nouvelle génération susceptibles de révolutionner notre société », a déclaré Vecchio. Ce travail a été soutenu par le Conseil suédois de la recherche (subventions VR-2018-05973 et VR-2021-04426), le Centre de compétences Useful Nanoscale Components (subvention 2022-03071), la Fondation Olle Engkvist, le Département de nano-ingénierie de l’UC San Diego, Centre de recherche sur les matériaux, Countrywide Programme de bourses d’études supérieures en sciences et ingénierie de la défense, Fondation ARCS (chapitre de San Diego) et groupe Oerlikon.
