La fabrication de céramique ductile est une tâche difficile. La plasticité dans la céramique est rarement observée et nécessite généralement des conditions spéciales telles que des températures extrêmes pour être réalisable. Par conséquent, au lieu de se bosseler, une tasse à café en céramique typique se brisera en morceaux lorsqu’elle tombera sur un sol dur.
Dans son commentaire, le Dr Erkka J. Frankberg, un expert en plasticité de la céramique, évalue certaines des dernières découvertes concernant la plasticité à température ambiante dans la céramique, rapportées par J. Zhang et al. dans La science. Dans son commentaire, Frankberg dépeint une vision plus large des avantages potentiels de ces céramiques ductiles, si elles devaient être rendues possibles et mises à l’échelle pour un usage commercial, inaugurant peut-être un nouvel âge de la pierre.
Pourquoi serait-il important de développer des céramiques ductiles à température ambiante ? Cela est dû aux atomes eux-mêmes et à la liaison entre eux. Les céramiques ont des liaisons ioniques et covalentes entre les atomes qui diffèrent considérablement des liaisons (par exemple) dans les alliages métalliques. Une différence majeure est que les liaisons atomiques ioniques et covalentes sont parmi les plus fortes que nous connaissons. En conséquence, en théorie, la céramique devrait être parmi les matériaux d’ingénierie les plus solides qui existent.
« Le hic, c’est que si les liaisons sont fortes, elles empêchent également les atomes de se déplacer facilement dans le matériau, et ce mouvement est nécessaire pour créer de la plasticité, ou en d’autres termes, un changement permanent dans la forme perçue du matériau. Sans plasticité, malheureusement, les céramiques se fracturent bien en dessous de leur résistance théorique et, dans la pratique, ont souvent une résistance ultime inférieure à celle de nombreux alliages métalliques couramment utilisés en ingénierie », explique Frankberg.
Pour démontrer le potentiel de la céramique ductile, Zhang et al. montrent que si le nitrure de silicium (Si3N4), un matériau céramique, est conçu pour présenter une plasticité, il peut présenter une résistance ultime énorme d’environ 11 GPa avant la fracture. C’est environ 10 fois plus résistant que certaines qualités courantes d’acier à haute résistance.
Que pourraient nous apporter les céramiques ductiles ultra-résistantes ?
« Une résistance plus élevée signifie moins de matériaux nécessaires pour construire des machines en mouvement telles que des véhicules et des robots. Moins de matériau signifie une inertie plus faible, ce qui signifie une consommation d’énergie plus faible et une efficacité plus élevée pour toutes les machines en mouvement. Une plus grande résistance à l’usure et à la corrosion de la céramique permettrait une plus grande disponibilité de ces machines. applications, ce qui permet des avantages économiques », souligne Frankberg.
L’humanité a un besoin constant de matériaux d’ingénierie toujours plus solides, en raison de l’impact transversal important qu’ils auraient, améliorant l’efficacité énergétique de la société.
« En raison de la liaison plus douce, il existe une limite stricte à la résistance des matériaux que nous pouvons créer à partir de métaux. Pour atteindre le niveau supérieur de résistance, la céramique est un bon candidat », déclare Frankberg.
Alors que les résultats de Zhang et al. sont une démonstration spectaculaire du potentiel des céramiques ductiles, les résultats sont démontrés à l’échelle nanométrique, comme la plupart des résultats similaires dans le domaine. Par conséquent, un chemin long et sinueux reste à parcourir pour réaliser le rêve de la céramique flexible, ce qui nécessite essentiellement que ces résultats soient répétés dans un matériau plus volumineux.
« Mais chaque découverte d’un nouveau mécanisme de plasticité à température ambiante, comme celui présenté par Zhang et al., nous maintient dans le rêve de la céramique flexible », conclut Frankberg.
Erkka J. Frankberg, Une céramique qui plie au lieu de se briser, La science (2022). DOI : 10.1126/science.ade7637. www.science.org/doi/10.1126/science.ade7637
Jie Zhang et al, Déformation plastique dans les céramiques de nitrure de silicium via la commutation de liaison aux interfaces cohérentes, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abq7490
Fourni par l’Université de Tampere