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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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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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Énergie des joints de grains et diffusionArticle inclus dans l'offre
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1. Structure des nanomatériaux
Paul COSTA
Ingénieur général de l’Armement
Haut conseiller à l’Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA)
Les propriétés des matériaux cristallins, métalliques ou céramiques, varient, souvent fortement, avec la taille des grains, ce dont les ingénieurs ont depuis longtemps fait usage lorsqu'il s'est agi par exemple d'améliorer la limite élastique et les propriétés de rupture, ou encore le comportement ferromagnétique. Ces variations ont été longtemps limitées par les technologies d'élaboration des matériaux dont les tailles de grain restaient supérieures au micromètre.
Depuis un demi-siècle environ, sont apparues des techniques nouvelles de refroidissement rapide, de chimie dite douce, techniques sol-gel par exemple, qui permettent d'accéder à des tailles de grain beaucoup plus faibles car elles réduisent ou suppriment le maintien du matériau aux températures auxquelles peut se produire la croissance des grains, ou encore des méthodes de production sous arc électrique, sous laser ou sous plasma de matériaux particulaires de très petite taille.
Dès lors, il a été possible de réduire les tailles de grain à des dimensions de l'ordre des tailles caractéristiques des défauts qui gouvernent certaines propriétés comme les dislocations (propriétés mécaniques) ou les parois de Bloch (propriétés ferromagnétiques), ou encore de phénomènes qui n'interviennent qu'à l'échelle du nanomètre ou en dessous (effet tunnel, effets de « confinement » lorsque la taille des particules est inférieure à la longueur d'onde des particules — électrons, photons... — qui interviennent dans le phénomène étudié). Ces dimensions, selon les cas, varient entre quelques nanomètres et 100 nanomètres.
1.1 Diverses classes de nanomatériaux
Plusieurs classifications ont été proposées pour les nanomatériaux fondées sur :
-
la dimensionnalité (dimension 0, 1, 2 ou 3 de la phase ou des phases nanométriques, selon qu'il s'agit respectivement de particules dispersées, de baguettes, de couches planes, ou de nanograins assemblés en volumes) ;
-
selon qu'il s'agit de systèmes monophasés ou de systèmes multiphasés (composites).
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SIEGEL (R.W.) - Nanostructured materials 3, - p. 1 (1993).
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(2) - NIIHARA (K.) - The certenial memorial issue. - 99, p. 974 (1991).
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(5) - WÜRSCHUM (R.), GREINER (W.), SCHAEFER (H.E.) - Nanostructured materials, - vol. 2, p. 55 (1993).
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(6) - WÜRSCHUM (R.), SCHAEFER (H.E.) - Nanomaterials Synthesis Properties and Applications. - Edelstein (A.S.) ed. (1996).
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(7) - BIRRINGER (R.), HERR (V.),...
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