Article

1 - MATÉRIAUX DE STRUCTURE NATURELS

2 - EN QUOI LES MATÉRIAUX DE STRUCTURE PEUVENT-ILS APPRENDRE DES MATÉRIAUX NATURELS ?

3 - COMPOSITES ET CÉRAMIQUES BIO-INSPIRÉS

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

6 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : N4820 v1

Bio-inspiration pour l’amélioration des céramiques et des composites structuraux

Auteur(s) : Florian BOUVILLE

Date de publication : 10 janv. 2021

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

Version en anglais En anglais

RÉSUMÉ

La bio-inspiration, ou l’utilisation de matériaux naturels comme plan de construction de matériaux synthétiques, s’est développée pour les matériaux structuraux comme une approche performante pour réduire la fragilité de matériaux céramiques et composites. En utilisant comme modèle la structure de l’os, de la nacre ou de crustacés, de plus en plus de céramiques tenaces sont développées. Cet article présente à la fois comment l’étude de structures naturelles peut ouvrir de nouvelles voies pour augmenter les performances des céramiques, mais aussi comment le développement constant de nouveaux procédés a permis de les fabriquer et de contrôler leurs structures à de multiples échelles.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Bioinspiration to Improve Structural Ceramics and Composites

The use of natural material structure as blueprint for synthetic material, also called bioinspiration, is a performant approach to reduce the fragility of ceramics. Using the structure of bone, nacre or even the hammer of the mantis shrimp, several new and high toughness ceramics and composites have been developed. This article summarizes at the same time how and why studying natural material opened new paths toward high performance ceramics, but also how the continuous invention of new processing opens new degrees of control over their structure at different length scales.

Auteur(s)

  • Florian BOUVILLE : Maître de conférence - Centre for Advanced Structural Ceramics, Imperial College London, London, United Kingdom

INTRODUCTION

Si la plupart des matériaux de structure que nous croisons au quotidien doivent résister à des contraintes mécaniques à des températures proches de l’ambiante, les pièces de moteurs hautes performances ou les prothèses doivent résister en plus à des contraintes environnementales. Malheureusement, les matériaux capables de résister à ces conditions extrêmes sont, par la même occasion, aussi fragiles. Les céramiques représentent le meilleur exemple de compositions à la fois résistantes aux hautes températures, à l’usure et au contact avec le corps humain, mais en contrepartie avec un comportement mécanique très fragile. Depuis les années 1970 et afin de rendre les céramiques plus tenaces, des microstructures dérivées des composites à fibres longues ont été fabriquées. Grâce à ces avancées, des pièces en céramique sont introduites aujourd’hui dans des pièces de moteurs d’avions civils et militaires. Plus récemment, l’étude de matériaux naturels a ouvert une autre voie pour rendre les céramiques plus tenaces en découvrant des microstructures qui, au travers de millénaires d’évolution, ont résolu ce même problème.

Certains matériaux naturels ont pour principale fonction la protection contre les prédateurs et les chocs pour la coquille des mollusques ou le rôle de charpente pour l’organisme pour les os des vertébrés. Pour résister aux contraintes mécaniques, ces matériaux présentent en général une très grande fraction de céramiques fragiles dans leurs structures, mais, grâce à la forme et à la façon dont ces grains de céramique sont arrangés, ils présentent un comportement mécanique tout sauf fragile. L’idée de la bio-inspiration n’est pas nouvelle ni limitée aux propriétés structurelles. En effet, il s’agit d’un champ de recherche à part entière chargé de décrypter le lien entre les performances structurelles ou fonctionnelles des matériaux naturels, parfois remarquables, et leurs microstructures. Poussés par ces découvertes, des chercheurs en matériaux ont commencé par comprendre l’origine de l’efficacité de ces matériaux pour pouvoir s’en inspirer. L’étape suivante a donc été d’adapter ou même d’inventer des procédés capables de reproduire certains aspects de ces structures naturelles afin d’augmenter la ténacité de céramiques et de composites à base de céramique.

Concernant la notion même de céramique, il convient de préciser d’emblée de quoi on parle : une céramique a toujours subi, au cours de sa fabrication, une étape de cuisson ou un passage à haute température, qui n’existe évidemment jamais dans les matériaux « biologiques ». À partir de là, dans la suite de cet article, on considérera donc principalement la nature céramique de la composition et la microstructure des matériaux considérés, et non leur procédé d’élaboration. En effet, il est pour l’instant impossible d’utiliser des procédés similaires à ceux naturels de formation de ces organismes : ils sont d’une part extrêmement lents par rapport à nos standards industriels, mais aussi limités à des compositions pouvant cristalliser dans l’eau à température proche de l’ambiante. Une fois ces matériaux bio-inspirés fabriqués, la dernière étape est de déterminer leur comportement à la rupture afin d’établir le lien fondamental entre microstructure et performance.

Cet article décrit ce cheminement de recherche en partant de la description de la structure de l’os, de la nacre et du marteau de la crevette-mante paon, les matériaux naturels les plus étudiés pour leurs excellentes propriétés mécaniques. Partant de ces exemples, le concept de bio-inspiration appliqué spécifiquement aux céramiques et composites est détaillé avec le but de mettre en avant les avantages mais aussi les limites de cette nouvelle approche. Cet effort étant récent, il n’y a pas à l’heure actuelle d’application industrielle. Cependant, à la fois les procédés, les céramiques bio-inspirées et leurs performances jusqu’ici obtenues seront détaillés dans la dernière partie de l’article.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

bone   |   toughness   |   natural materials   |   nacre

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n4820


Cet article fait partie de l’offre

Verres et céramiques

(65 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Présentation
Version en anglais En anglais

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 95% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Verres et céramiques

(65 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - WEGST (U.G.K.), BAI (H.), SAIZ (E.), TOMSIA (A.P.), RITCHIE (R.O.) -   Bioinspired structural materials.  -  Nat Mater 14:23-36 (2014).

  • (2) - BUCKWALTER (J.A.), GLIMCHER (M.J.), COOPER (R.R.), RECKER (R.) -   Bone biology. I: Structure, blood supply, cells, matrix, and mineralization.  -  Instr. Course Lect (1996).

  • (3) - BARTHELAT (F.), TANG (H.), ZAVATTIERI (P.D.), LI (C.), ESPINOSA (H.D.) -   On the mechanics of mother-of-pearl: A key feature in the material hierarchical structure.  -  J Mech Phys Solids 55:306-337 (2007).

  • (4) - CURREY (J.D.) -   Mechanical Properties of Mother of Pearl in Tension.  -  Proc R Soc B Biol Sci 196:443-463 (1977).

  • (5) - WEAVER (J.C.), MILLIRON (G.W.), MISEREZ (A.), et al -   The stomatopod dactyl club: a formidable damage-tolerant biological hammer.  -  Science 336:1275-80 (2012).

  • (6)...

ANNEXES

  1. 1 Brevets

    1 Brevets

    Produit céramique à particules orientées et son procédé de fabrication. (EP3003969)

    Produit à fonction orientée et son procédé d’obtention. (WO2014087382)

    HAUT DE PAGE

    Cet article est réservé aux abonnés.
    Il vous reste 94% à découvrir.

    Pour explorer cet article
    Téléchargez l'extrait gratuit

    Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


    L'expertise technique et scientifique de référence

    La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
    + de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
    De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

    Cet article fait partie de l’offre

    Verres et céramiques

    (65 articles en ce moment)

    Cette offre vous donne accès à :

    Une base complète d’articles

    Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

    Des services

    Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

    Un Parcours Pratique

    Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

    Doc & Quiz

    Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

    ABONNEZ-VOUS