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Des composites céramiques qui se réparent eux-mêmes

Une équipe de chercheurs de l’université d’Osaka au Japon vient de démontrer qu’il était possible de concevoir des matériaux céramiques capables d’autocicatrisation à température ambiante. Le matériau que ces chercheurs ont mis au point présente également une activité photocatalytique ainsi qu’une bonne biocompatibilité, ouvrant la voie à de nouvelles applications potentielles.

Les matériaux céramiques comme l’alumine (Al2O3) sont couramment utilisés dans l’industrie pour leurs propriétés de résistance à l’usure, leur stabilité chimique et leur tenue aux très hautes températures. Néanmoins, les céramiques sont par nature fragiles, ce qui rend les opérations d’usinage délicates. En effet, lorsque des défauts microscopiques apparaissent, la résistance à la rupture de ces matériaux s’effondre, car les contraintes exercées en périphérie des microfissures peuvent irrémédiablement conduire à une propagation fatale.

Cela fait déjà de nombreuses années que le monde scientifique cherche à apporter des propriétés d’auto-réparation aux matériaux. Cependant, s’il existe déjà des polymères, des bétons ou des céramiques capables de se réparer, le processus d’auto-cicatrisation se produit dans un environnement particulier, propre à chaque matériau.

L’auto-cicatrisation des céramiques a ainsi été démontrée à de nombreuses reprises, mais l’excellente stabilité chimique et thermique de ces matériaux complique le processus. En effet, le traitement thermique à haute température reste à ce jour la meilleure technique d’auto-cicatrisation des céramiques, ce qui élimine d’emblée une utilisation à température ambiante.

L’anodisation est un procédé électrochimique couramment utilisé pour créer une couche d’oxyde à la surface de certains métaux tels que l’aluminium ou le titane. L’équipe de chercheurs a donc eu l’idée de concevoir un cermet Al2O3/Ti, le titane sous forme métallique pouvant être oxydé afin de combler les fissures de la matrice en alumine. Ce matériau composite céramique/métal a été élaboré à partir d’un mélange de poudres (α-Al2O3 et TiH2), qui a ensuite subi une étape de frittage à 1500 °C sous atmosphère protectrice (argon). Le processus de cicatrisation par anodisation a donc l’avantage d’être réalisé à température ambiante, mais dans un électrolyte aqueux contenant de l’acide phosphorique (H3PO4).

Le composite Al2O3/Ti est placé en anode, ce qui signifie qu’il doit suffisamment conduire l’électricité. Par conséquent, l’équipe de chercheurs a dû travailler en amont sur la proportion de particules métalliques présentes dans le composite ainsi que sur leur taille pour obtenir une conductivité suffisante.

Pour tester la capacité d’auto-réparation de ces matériaux, les chercheurs ont tout d’abord soumis les échantillons à des essais d’indentation, en suivant la même méthode que pour la mesure de micro-dureté Vickers. Les empreintes obtenues ont la particularité de créer des fissures de manière assez reproductible, la force appliquée étant connue et maîtrisée. Il leur a donc été possible de mesurer l’effet de la taille des fissures sur la capacité d’auto cicatrisation.

Le processus de cicatrisation a par ailleurs été analysé de manière approfondie par microscopie électronique à balayage (MEB), par diffraction des rayons X et la résistance mécanique des échantillons avant et après cicatrisation a été comparée. Les résultats sont concluants : après cicatrisation le matériau retrouve la même résistance à la flexion qu’avant l’apparition des fissures.

Article rédigé par George Simmons pour RT Flash

PHYS.ORG

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