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1 - DESCRIPTION DES PHASES MAX

2 - ÉLABORATION ET MISE EN FORME

3 - PROPRIÉTÉS

4 - APPLICATIONS

  • 4.1 - Applications existantes
  • 4.2 - Applications potentielles

5 - PERSPECTIVES ET DÉFIS

6 - SYMBOLES ET SIGLES

7 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : M4790 v1

Glossaire
Phases MAX : élaboration, propriétés et applications

Auteur(s) : Frédéric MERCIER

Relu et validé le 25 nov. 2020

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Sommaire

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RÉSUMÉ

Les phases MAX sont des carbures et nitrures ternaires qui associent remarquablement des propriétés typiques à la fois des métaux et des céramiques. Ils ont une bonne conductivité thermique et électrique, une usinabilité, ainsi qu'une tolérance à l’endommagement et une résistance à l’oxydation à
haute température.

Cette combinaison unique leur confère un potentiel fort comme matériaux structurels et fonctionnels, notamment en environnement sévère (hautes températures, oxydation, irradiation...).

Cet article traite des différentes voies d’élaboration, propriétés, applications et de leur positionnement face aux céramiques techniques et aux alliages métalliques hautes températures existants.

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ABSTRACT

MAX phases are ternary carbides and nitrides and combine in a unique way, properties of both ceramics (refractory, high stiffness, low density) and metals (damage tolerance, thermal shock resistance, high thermal and electric conductivity). This unique combination gives them a strong potential as structural and functional materials especially in harsh environments (high temperatures, oxidation, irradiation...).

In this article, an overview of their synthesis, properties and applications is given, together with a comparison with existing high temperature materials.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Le manque de plasticité des céramiques limite grandement leur champ d’application dans le domaine des matériaux de structure. Plusieurs voies sont explorées pour augmenter la ténacité et la résistance à la rupture :

  • dispersion de particules ;

  • conception de céramiques à matrice céramique (CMC) ;

  • architecturation pour imiter les matériaux naturels comme la nacre.

Toutes ces solutions permettent un réel gain en performance et sont basées sur la possibilité de rendre le matériau moins sensible aux fissures.

L’amélioration des propriétés mécaniques peut également être possible par la formulation de nouvelles céramiques.

Dans la classe des céramiques techniques, les phases MAX constituent une famille tout à fait unique. Elles combinent avantageusement certaines propriétés des céramiques et des métaux :

  • réfractarité ;

  • module de Young élevé ;

  • densité modérée ;

  • résistance à l’oxydation ;

  • usinabilité ;

  • conductivité thermique et électrique ;

  • résistance aux chocs thermiques.

Un effort de recherche important a démarré à la fin des années 1990 pour élaborer les phases MAX sous diverses formes :

  • poudres ;

  • massives ;

  • couches minces.

Ces différentes mises en forme obtenues, les efforts de recherche se sont ensuite concentrés sur l’évaluation de leurs propriétés mécaniques et fonctionnelles, ce qui a permis de les comparer avec d’autres matériaux opérant en environnement sévère.

En parallèle de l’évaluation de leurs propriétés, des méthodes de production ont été développées jusqu’à l’échelle industrielle. C’est le cas de la technique de frittage à chaud pour l’obtention de poudres et de pièces massives et la technique de pulvérisation pour l’élaboration de revêtements.

Les phases MAX sont donc relativement jeunes par rapport aux céramiques techniques. Malgré cela, elles supportent tout à fait la comparaison avec leurs aînées, voire les surpassent sur certaines propriétés structurales, tout en les combinant avec des propriétés typiquement métalliques :

  • conductivités thermique et électrique ;

  • usinabilité ;

  • résistance aux chocs thermiques.

De nombreux défis restent cependant à être relevés afin que les phases MAX puissent se développer et s’installer face aux céramiques techniques et aux alliages métalliques haute température (T > 1 000 °C).

Cet article a été écrit pour permettre une synthèse des différentes techniques de mise en forme possible, de l’élaboration à l’assemblage et à l’usinage. Il fournit également un cadre pour évaluer les différentes propriétés des phases MAX face à d’autres matériaux hautes températures comme :

  • le graphite ;

  • les alliages métalliques haute température ;

  • les céramiques techniques, y compris les CMC.

L’article fait également un tour d’horizon des applications existantes et potentielles, puis se termine sur les perspectives et les défis à relever.

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KEYWORDS

processing   |   oxidation   |   carbides   |   ceramics   |   plasticity

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m4790


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7. Glossaire

Phase MAX ; MAX phase

Céramique. Composé ternaire stœchiométrique de la famille des nitrures et carbures. Leur formule générale est Mn+1AXn (n = 1,2,3), M un métal de transition, A un élément des groupes 12 à 16, X soit du carbone soit de l’azote.

Plasticité ; plasticity

Caractéristique d’un matériau capable de se déformer de manière irréversible sous l’action d’une contrainte mécanique et de maintenir la déformation après décharge. La déformation plastique a lieu entre la limite élastique et la limite de rupture du matériau.

Résistance en compression, tension ou flexion ; Compressive, tensile or flexural strength

Contrainte maximale applicable à un matériau avant qu’il ne cède suivant une sollicitation mécanique respectivement en compression, tension ou flexion.

Ténacité ; toughness

Capacité d’un matériau à contenir la propagation de fissures.

Matériau alumino- ou chromino-formeur ; alumina-or chromia-former

Matériau dont l’oxydation à haute température conduit à la formation d’un oxyde protecteur en surface à base d’alumine (alumino-formeur) ou de chromine (chromino-formeur).

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BARSOUM (M.W.) -   MAX phases : properties of machinable ternary carbides and nitrides.  -  Wiley-VCH (2013).

  • (2) - ASHBY (M.F.) -   Materials selection in mechanical design.  -  Fifth Edition. EDP Sciences (2017).

  • (3) - CHASE (M.) -   Janaf thermodynamic tables.  -  Third edition. J. Phys. Chem., vol. 14, n° Supp. 1 (1985).

  • (4) - LOW (I.M.) -   Advances in ceramic matrix composites.  -  Advances in Ceramic Matrix Composites (Second Edition), Woodhead Publishing (2018).

  • (5) - PANG (W.K.), LOW (I.M.), O’CONNOR (B.H.), PETERSON (V.K.), STUDER (A.J.), PALMQUIST (J.P.) -   In situ diffraction study of thermal decomposition in maxthal Ti2AlC.  -  Journal of Alloys and Compounds, vol. 509, n° 1, p. 172-176 (2011).

  • (6) - GAO (N.), LI (J.), ZHANG (D.), MIYAMOTO (Y.) -   Rapid...

1 Annuaires

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