Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Cet article a pour objectif l’étude des nanomatériaux et des matériaux dont une phase au moins a des dimensions inférieures à 100 nanomètres. La structure et l’élaboration de ces matériaux sont plus particulièrement observés ici. Est effectuée l’analyse des diverses classes de nanomatériaux, des joints de grains et de la stabilité particulière de certaines tailles d’amas. Les notions d'énergie des joints de grains et la diffusion sont ensuite passées en revue. Pour terminer, l’élaboration par voie physique, par voie chimique, la mécanosynthèse et la consolidation et la densification concluent cet article.
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This article deals with the study of nanomaterials and materials where at least one of the phases has a dimension of less than 100 nm. The structure and development of such materials are more specifically addressed here. An analysis of the various classes of nanomaterials, the grain boundaries and the particular stability of certain cluster sizes is conducted. The notions of grain boundary energy and diffusion are then reviewed. Finally, the physical and chemical development, mechanical alloying and consolidation and densification conclude this article.
Auteur(s)
INTRODUCTION
Dans cet article, on se propose de passer en revue la structure et les modes d'élaboration des matériaux pour lesquels une phase au moins, déterminante pour certaines propriétés, a des dimensions inférieures à 100 nanomètres.
Les propriétés et principales applications de ces matériaux sont développées dans l'article Nanomatériaux. Propriétés et applications [NM 3 011], du même traité.
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- Version courante de juil. 2020 par Pierre MÜLLER
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Élaboration2. Énergie des joints de grains et diffusion
Lorsque la taille des cristallites est de l'ordre du nanomètre, la proportion d'atomes situés à la surface des grains devient importante. Les propriétés thermodynamiques et cinétiques des matériaux sont alors essentiellement gouvernées par les joints de grains.
2.1 Aspects thermodynamiques
Pour des cristallites de toute petite taille :
-
les énergies de surface cessent d'être négligeables vis-à-vis des énergies de volume ; il convient de substituer à l'enthalpie libre G une fonction G* incorporant un terme de tension superficielle :
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avec :
- V :
- volume atomique,
- d :
- diamètre,
- γ :
- énergie superficielle du grain, fonction de son environnement ;
-
l'énergie superficielle est elle-même une fonction qui croît lorsque d décroît. Pour s'en convaincre, il suffit de considérer un modèle de liaisons pendantes ou liaisons coupées pour un cristallite de forme cubique. Il y a trois liaisons pendantes pour les n1 atomes situés aux sommets du cube, deux pour ceux qui sont situés sur les arêtes (n2), une seule pour ceux qui sont situés sur les faces (n3). Or, lorsque la taille du cristallite croît, les rapports n1 /n2 , n1 /n3 , et n2 /n3 décroissent, donc le nombre de liaisons pendantes décroît aussi ;
-
l'énergie en volume du grain varie. Une indication de cet effet est donné par l'observation du paramètre de maille qui est plus élevé pour des tailles de grain nanométriques. On observe en outre des fluctuations de ce paramètre au sein d'un grain liées aux contraintes élastiques induites par la surface du grain, d'autant plus importantes que d est petit.
Il en résulte en particulier que l'équilibre thermodynamique entre plusieurs phases, notamment plusieurs structures cristallographiques, n'est pas gouverné uniquement par les potentiels chimiques à volume non limité...
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Énergie des joints de grains et diffusion
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - NIIHARA (K.) - The certenial memorial issue. - 99, p. 974 (1991).
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(3) - COHEN (M.), CHOU (M.Y.), KNIGHT (W.D.), de HEER (W.A.) - * - J. Phys. Chem. vol. 91, p. 3141 (1987).
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(5) - WÜRSCHUM (R.), GREINER (W.), SCHAEFER (H.E.) - Nanostructured materials, - vol. 2, p. 55 (1993).
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