Haute résistance à la flexion à 1 800 °C supérieure à 1 GPa en TiB2

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6915 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Un composite céramique haute densité (99,5 %) composé de borure de titane et de carbure de bore (70/30 % en volume) a été obtenu par frittage au plasma étincelant et a été testé par un test de flexion en 3 points dans une atmosphère d'Ar à 1 800 °C. La résistance à la flexion était élevée, autour de 1,1 GPa. La courbe résistance-déformation présente une forme particulière composée de trois régions où les déformations élastiques et plastiques sont actives avec un poids différent. Sur la base d'observations en microscopie électronique à transmission, nous proposons un processus d'absorption d'énergie mécanique entraîné par une contrainte de cisaillement dans les cristaux de carbure de bore : les défauts d'empilement avec (1-11) et (011) plans d'empilement et les macles avec (1-11) plans de jumelage se réorganisent en nano-jumeaux avec (10-1) plans de macle, orthogonaux mais équivalents aux plans initiaux. Ce mécanisme de réarrangement fournit dans un premier temps une signature plastique, mais contribue en outre à le renforcer.

Les progrès technologiques dans des domaines stratégiques tels que l’énergie nucléaire et les industries aérospatiales sont principalement liés à l’ingénierie de matériaux fonctionnels avancés et innovants1. De tels matériaux destinés à des conditions extrêmes doivent être capables de résister à des températures très élevées, posséder une dureté et une ténacité élevées et, idéalement, une bonne conductivité thermique, électrique et une bonne stabilité chimique. Toutes les fonctionnalités mentionnées ci-dessus doivent se produire simultanément. De plus, la production de ces matériaux doit être bon marché, rapide et évolutive2.

Seules quelques familles de matériaux3 répondent à l’ensemble particulier et restreint d’exigences mentionnées ci-dessus. Parmi eux figurent les métaux réfractaires (par exemple W et Mo), les oxydes (ZrO2 et MgO), les borures (TiB2 et TaB)4, les carbures (TaC, ZrC et TiC) ou les nitrures (TaN et HfN). En général, à température ambiante, les métaux sont ductiles et subissent une déformation plastique, tandis que les céramiques sont cassantes, dures et se déforment élastiquement. Cependant, de manière totalement inattendue, un comportement de déformation accompagné de mécanismes physiques de déformation inhabituels peut survenir. Par exemple, certaines céramiques telles que le carbure de tantale (TaC), le borure d'hafnium (HfB2) et le carbure de bore (noté BC) sont capables de s'adapter à des températures élevées à une déformation plastique similaire à celle des métaux en raison, par exemple, de la dynamique des défauts cristallographiques5,6,7, 8. Sous charge mécanique, l'interaction entre les propriétés intrinsèques du matériau (chimie cristalline et défauts) et la microstructure à l'échelle nano et micro (taille des grains, distribution, forme et joints de grains) peut favoriser de nouveaux mécanismes physiques de relaxation énergétique. Ces mécanismes se traduisent par des profils particuliers des courbes contrainte/déformation. De plus, il est bien connu qu'il faut prendre en compte les conditions d'application de la charge (par exemple le type de charge, le taux d'application et l'angle), la taille et la forme de l'échantillon.

Ces dernières années, il y a un grand intérêt pour la céramique TiB2 et les composites renforcés par exemple par B4C et SiC9,10,11,12,13,14,15. Ces céramiques sont étudiées par des essais de flexion généralement à température ambiante. En général, en fonction de la taille des grains, du renforcement et de la microstructure du composite, en tenant également compte des défauts, la résistance à la flexion à température ambiante atteint des valeurs de 600 à 900 MPa. Les mécanismes de fracture macroscopique sont liés à la formation et au développement de fissures, ces mécanismes étant typiques des céramiques fragiles. Parmi eux, la littérature indique un durcissement des microfissures interfaciales dû aux différences de coefficient de dilatation thermique des composants composites, à la déflexion des fissures, au clivage et à l'amélioration de la fracture intergranulaire14. Un nombre bien inférieur d’études sur les propriétés mécaniques de ces matériaux à haute température ont été rapportées. Dans la réf.9 sont passés en revue les travaux présentant la résistance à la flexion à haute température du TiB2. Nous apprenons que les valeurs de résistance à la flexion ne dépassent pas non plus 1GPa, bien qu'une tendance à la hausse avec une augmentation de la température de l'essai soit notable et mérite attention. Il a été récemment rapporté que la résistance à la flexion du composite TiB2-B4C atteignait des valeurs ultra élevées allant jusqu'à 8,4 GPa à 2 000 °C16. Ces valeurs dépassent largement la limite de 1GPa pour la résistance à la flexion à température ambiante.