Les superpouvoirs des revêtements nanolaminés alumine/aluminium
Le Graal pour tout ingénieur en mécanique consiste en un matériau possédant une grande dureté, une bonne capacité à se déformer sans casser résistant à la fissuration. Une équipe franco-belge a développé un nanolaminé aux propriétés exceptionnelles qui alterne de fines couches d’alumine amorphe avec des couches encore plus fines d’aluminium. Publiés dans Nature Communications, ces travaux ouvrent la voie à des applications dans des environnements associant corrosion, érosion, usure et chocs mécaniques.
La combinaison en un seul matériau d’une grande dureté, d’une déformabilité sans cassures et de la résistance aux fissures est particulièrement complexe. Des chercheurs et chercheuses du Laboratoire Georges Friedel (LGF, CNRS/Mines Saint-Étienne), de l’Université catholique de Louvain (UCLouvain, Belgique), du WEL Research Institute (Belgique) et des universités belges de Namur et d’Anvers ont cependant obtenu un matériau rassemblant ces trois propriétés. Ils le fabriquent par dépôt physique, c’est-à-dire à l’aide d’un plasma qui vient décrocher des atomes d’aluminium pour les projeter sur un substrat. En ajoutant de l’oxygène, on obtient de l’alumine (Al2O3). L’alumine est en effet ductile, ce qui signifie qu’elle se déforme sans se rompre, lorsqu’elle est en couches d’une épaisseur inférieure à 100 nm. Pour concevoir un revêtement utile plus épais, de telles couches ont été empilées et collées avec de l’aluminium. On parle alors de revêtement nanolaminé et on obtient ainsi le revêtement mince, plus fin que le micromètre, ayant la plus haute combinaison connue de résistance, de ductilité et de ténacité aux fissures. En sus, ce matériau bénéficie de l’excellente résistance à la corrosion de l’alumine.
Pour déterminer avec précision les propriétés intrinsèques de ce revêtement et des couches indépendantes, puis les lier aux mécanismes physiques conditionnant ces excellentes propriétés, l’équipe a eu recours à une approche nanomécanique brevetée de l’UCLouvain. Ces essais sur puce reposent sur des méthodes de fabrication microélectronique et permettent d’effectuer des essais de traction et de rupture à micro-échelle. D’autres essais complémentaires ont également été réalisés tels que la caractérisation dans un microscope électronique à transmission (TEM) et la nanoindentation, c’est-à-dire une technique qui mesure la dureté du matériau. Le tout a ensuite été étudié par de la modélisation dite à éléments finis. Les applications envisagées sont nombreuses, en particulier dans le cadre de technologies impliquant des environnements sévères combinant corrosion, érosion, usure et chocs mécaniques.
Le procédé de fabrication par plasma existe de manière industrielle, ce qui facilite le passage à l’échelle. Comme le matériau ne supporte pas des températures supérieures à 200 à 300 degrés, l’équipe compte à présent regarder comment conserver ses propriétés à hautes températures.
© Baral et al.
Références
Al2O3/Al hybrid nanolaminates with superior toughness, strength and ductility.
Paul Baral, Sahar Jaddi, Hui Wang, Andrey Orekhov, Nicolas Gauquelin, Alireza Bagherpour, Frederik Van Loock, Michaël Coulombier, Audrey Favache, Morgan Rusinowicz, Johan Verbeeck, Stéphane Lucas, Jean-Pierre Raskin, Hosni Idrissi, and Thomas Pardoen.
Nature Communications Volume 16, Article number: 1355 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56512-7
Article consultable sur la base d’archives ouvertes HAL