Extrêmement solide et résistant à la chaleur
Les chercheurs de l'ETH ont fabriqué un film mince et des colonnes très fines à partir d'une nouvelle classe d'alliages composée de plusieurs éléments finement dispersés. Le matériau résiste à des pressions et des températures extrêmes.
Depuis plus de 4000 ans, les hommes fabriquent des alliages métalliques pour obtenir des matériaux aux propriétés souhaitées. Traditionnellement, ces alliages se composent d'un métal principal auquel sont mélangées, lors d'un processus de fusion, de petites quantités d'un ou de quelques autres éléments. Le bronze, par exemple, est composé en grande partie de cuivre et, dans une moindre mesure, d'étain. Il est beaucoup plus solide que le cuivre pur ou l'étain pur.
La composition est différente pour les alliages dits à haute entropie. Depuis quelques années, cette nouvelle catégorie d'alliages a la cote auprès des spécialistes des matériaux, car ils présentent une grande solidité et sont résistants à la température et à la corrosion. Les alliages à haute entropie sont généralement composés de quatre ou cinq éléments métalliques. Des chercheurs dirigés par Ralph Spolenak, professeur de nanométallurgie, ont fabriqué un film de trois micromètres d'épaisseur à partir d'un alliage à haute entropie et y ont fraisé une structure de colonnes d'un diamètre de 100 nanomètres à un micromètre. L'alliage se compose de proportions égales des éléments niobium, molybdène, tantale et tungstène.
Structure fine modifiée Propriétés
Il s'est avéré que ces "micro-colonnes" en alliage à haute entropie ont des propriétés très particulières : elles sont dix fois plus solides qu'un bloc du même matériau. En outre, les colonnes peuvent être comprimées jusqu'à environ un tiers de leur longueur sous des pressions élevées sans devenir cassantes ou se rompre - les scientifiques appellent cette malléabilité la ductilité. Enfin, le matériau est également très résistant à la température : Il a résisté pendant trois jours à 1100 degrés Celsius sans modification notable de sa structure externe et interne - contrairement au tungstène pur que les scientifiques ont également soumis au traitement thermique à titre de contr?le. Après le traitement thermique, les micro-colonnes en alliage à haute entropie ont obtenu de meilleurs résultats en termes de résistance et de ductilité que celles en tungstène pur. Et ce, bien que l'alliage à haute entropie ait en principe un point de fusion nettement plus bas que le tungstène pur (environ 2900 contre 3400 degrés).
Les scientifiques ont fabriqué le film de trois micromètres d'épaisseur en utilisant la pulvérisation cathodique magnétron, un procédé de revêtement souvent utilisé en microélectronique. En atomisant des atomes des quatre éléments mentionnés et en les pulvérisant simultanément sur un matériau de support, cette technique a été utilisée pour la première fois pour produire un alliage à haute entropie. Gr?ce à la technique du faisceau d'ions (FIB), les scientifiques ont libéré les microcylindres à la surface du film.
Un matériau composé de minuscules monocristaux
Dans le matériau des chercheurs de l'ETH, ce n'est pas seulement la structure en colonnes extrêmement fine qui est remarquable, mais aussi la structure cristalline interne. Comme la plupart des corps cristallins, ce matériau est composé d'une multitude de petits cristaux individuels. La particularité de l'alliage est que ces cristaux individuels sont minuscules - dans le jargon, le matériau est qualifié de nanocristallin. "Les matériaux nanocristallins ont certes de nombreuses propriétés souhaitées, mais souvent aussi des inconvénients", explique Yu Zou, doctorant dans le groupe de Spolenak et premier auteur de l'étude désormais publiée dans la revue spécialisée "Nature Communications". "Ainsi, ces matériaux ne sont généralement pas résistants à la température, car en cas de réchauffement, la taille des cristaux individuels augmente, ce qui modifie les propriétés du matériau".
Selon les scientifiques, le fait que l'alliage à haute entropie soit particulièrement résistant à la température est peut-être d? à la répartition atomique relativement désordonnée des éléments à l'intérieur de l'alliage. Les chercheurs supposent que le désordre aux interfaces internes des monocristaux contribue à ce que les monocristaux des alliages à haute entropie aient moins tendance à cro?tre lorsqu'ils sont chauffés que d'autres matériaux. Les scientifiques souhaitent examiner si cette hypothèse est correcte dans le cadre d'autres travaux de recherche, au cours desquels ils examineront de près la répartition atomique des éléments dans le matériau.
Ce nouveau matériau est surtout intéressant pour les applications à haute pression et haute température, par exemple pour la construction de capteurs qui doivent fonctionner dans de telles conditions extrêmes, explique Zou.
Référence bibliographique
Zou Y, Ma H, Spolenak R : Alliages ultra-résistants ductiles et stables à haute entropie aux petites échelles. Nature Communications, 10 juillet 2015, doi : c?té externe10.1038/ncomms8748