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CNRS : un matériau à base de nacre dix fois plus tenace qu’une céramique

Dernière mise à jour le samedi 5 avril 2014

Article paru
sur le site "Wcnrs" - 00 avril 2014
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Un matériau innovant inspiré de la nacre dix fois plus tenace qu’une céramique classique
Les céramiques, qu’elles soient traditionnelles ou de haute technologie, présentent toutes un défaut : leur fragilité. Ce côté cassant pourrait bientôt disparaître : une équipe de chercheurs, menée par le Laboratoire de synthèse et fonctionnalisation des céramiques (CNRS/Saint-Gobain), en collaboration avec le Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) et le laboratoire Matériaux : ingénierie et science (CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) vient de présenter un nouveau matériau céramique inspiré de la nacre des ormeaux, petits mollusques marins à coquille unique. Ce matériau, près de dix fois plus tenace qu’une céramique classique, est issu d’un procédé de fabrication innovant qui passe par une étape de congélation. Cette méthode semble compatible avec une industrialisation à échelle plus importante, à priori sans surcoût notable par rapport à celles déjà employées. Conservant ses propriétés à des températures d’au moins 600°C, cette nacre artificielle pourrait trouver une foule d’applications dans l’industrie et permettre d’alléger ou de réduire en taille des éléments céramiques des moteurs ou des dispositifs de génération d’énergie. Ces travaux sont publiés le 23 mars 2014 sur le site internet de la revue Nature Materials.
La ténacité, capacité d’un matériau à résister à la rupture en présence d’une fissure, est considérée comme le talon d’Achille des céramiques. Pour pallier leur 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 bivalves. La nacre est composée à 95 % d’un matériau intrinsèquement fragile, le carbonate de calcium (l’aragonite). Pourtant, sa ténacité est forte. La nacre peut être vue comme un empilement de briques de petite taille, soudées entre elles par un mortier composé de protéines. Sa ténacité tient à sa structure complexe et hiérarchique. La propagation de fissures dans ce type d’architecture est rendue difficile par le chemin tortueux que celles-ci doivent parcourir pour se propager. C’est cette structure qui a inspiré les chercheurs.

Comme ingrédient de base, l’équipe du Laboratoire de synthèse et fonctionnalisation des céramiques (CNRS/Saint-Gobain) a pris une poudre céramique courante, l’alumine, qui se présente sous la forme de plaquettes microscopiques. Pour obtenir la structure lamellée de la nacre, ils ont mis cette poudre en suspension dans de l’eau. Cette suspension colloïdale (1) a été refroidie de manière à obtenir une croissance contrôlée de cristaux de glace. Ceci conduit à un auto-assemblage de l’alumine sous forme d’un empilement de plaquettes. Finalement, le matériau final a été obtenu grâce à une étape de densification à haute température.

Cette nacre artificielle est dix fois plus tenace qu’une céramique classique composée d’alumine.

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