Une céramique artificielle dix fois plus tenace inspirée de la nacre

La ténacité, c'est-à-dire la capacité d'un matériau à résister à la rupture en présence d'une fissure, est considérée comme le talon d'Achille des céramiquescéramiques. Pour pallier cette fragilité intrinsèque, celles-ci sont parfois combinées à d'autres matériaux plus tenaces, métalliques ou polymères. L'adjonction de tels matériaux s'accompagne généralement de limitations plus ou moins sévères. Par exemple, les polymères ne résistent pas à des températures supérieures à 300 °C, ce qui limite leur utilisation dans les moteurs ou les fours.

Dans la nature, il existe un matériau proche de la céramique qui est extrêmement tenace : la nacre qui recouvre la coquille des ormeaux et autres bivalvesbivalves. Elle est composée à 95 % d'un matériau intrinsèquement fragile, le carbonate de calcium (l'aragonitearagonite), mais sa ténacité est forte. Pourquoi ? La nacre peut être vue comme un empilement de briques de petite taille, soudées entre elles par un mortiermortier composé de protéinesprotéines. Sa ténacité tient à sa structure complexe et hiérarchique. En effet, la propagation de fissures dans ce type d'architecture est rendue difficile par le chemin tortueux que celles-ci doivent parcourir pour se propager. Cette structure unique a inspiré une équipe du CNRS pour créer un nouveau matériau céramique, près de dix fois plus tenace qu'une céramique classique. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Materials.

Sur cette image, on peut observer la structure de la nacre naturelle (en haut) et de la nacre synthétique (en bas), à la même échelle. La structure en empilement de briques est bien visible dans les deux cas. Sur le cliché du bas, le parcours tortueux effectué par la fissure est bien observable. © Sylvain Deville, Florian Bouville

Une céramique tenace et peu coûteuse

Comme ingrédient de base, les chercheurs ont utilisé une poudre céramique courante, appelée alumine, qui se présente sous la forme de plaquettesplaquettes microscopiques. Pour obtenir la structure lamellée de la nacre, ils ont mis cette poudre en suspension dans de l'eau. Cette suspension colloïdale a ensuite été refroidie de manière à obtenir une croissance contrôlée de cristaux de glace. Ceci a conduit à un autoassemblage de l'alumine sous la forme d'un empilement de plaquettes. Le matériau final a été obtenu grâce à une étape de densification à haute température. Il est dix fois plus tenace qu'une céramique classique, car les fissures doivent contourner une à une les briques d'alumine pour se propager. Ce chemin en zigzag les empêche de traverser facilement le volume du matériau. Cette céramique artificielle conserve ainsi ses propriétés jusqu'à des températures d'au moins 600 °C.

L'avantage du procédé est qu'il n'est pas exclusif à l'alumine. N'importe quelle poudre céramique, pour peu qu'elle se présente sous la forme de plaquettes, peut subir le même processus d'autoassemblage. De plus, l'industrialisation de ce procédé ne devrait pas présenter de difficultés, car l'obtention de pièces composées avec ce matériau inspiré de la nacre ne coûte pas trop cher. Sa forte ténacité pour une densité équivalente pourrait permettre de fabriquer des pièces plus petites et plus légères. Il pourrait devenir un matériau de choix pour les applicationsapplications soumises à des contraintes sévères dans des domaines allant de l'énergieénergie au blindage.