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Les super-pouvoirs des revêtements nanolaminés Al2O3/Al
Le Graal pour tout ingénieur en mécanique est de pouvoir utiliser un matériau possédant une grande dureté, une bonne capacité à se déformer sans casser et une bonne résistance à la fissuration. Cependant, ces trois propriétés sont antagonistes pour la plupart des matériaux. Une équipe de l’UCLouvain et du WEL Research Institute, en collaboration avec les universités de Namur, de Anvers, ont développé un nouveau type de revêtement aux propriétés mécaniques exceptionnelles : un nanolaminé qui alterne de fines couches d’alumine Al2O3 amorphe, de typiquement 100nm, avec des couches encore plus fines d’aluminium. Paul Baral et Morgan Rusinowicz, deux enseignants-chercheurs du Laboratoire Georges Friedel UMR5307 Mines Saint-Etienne / CNRS Ingénierie ont participé à cette extraordinaire aventure.
L’invention de ce matériau, produit par dépôt physique, est basée sur le principe que Al2O3 amorphe est ductile à une épaisseur inférieure à environ 100nm. Pour obtenir un revêtement utile plus épais, il convenait donc d’empiler de telles couches très fines en utilisant la colle appropriée. Cette colle est fournie par l’aluminium, donnant des interfaces très résistantes avec l’alumine, tout en amenant également une capacité de dissipation d’énergie et d’arrêt des fissures apparaissant à un moment dans l’Al2O3. Le résultat est le revêtement mince (plus fin que le micromètre) ayant la plus haute combinaison contenue de résistance, mesurant la dureté du matériau, de ductilité, mesurant la capacité de se déformer sans se rompre, et de ténacité, mesurant la capacité à ne pas se fissurer en présence de défauts. Ce nanolaminé possède une limite d’élasticité de l’ordre de 4 GPa, équivalent aux oxydes métalliques tout en maintenant une ténacité de 6.6 MPa.m1/2 comparable à celle du Cuivre en couche mince. En sus, ce matériau bénéficie de l’excellente résistance à la corrosion de l’alumine. Le grand défi de cette recherche a été de déterminer avec précision les propriétés intrinsèques de ce revêtement et des couches indépendantes et d’ensuite les lier aux mécanismes physiques conditionnant ces excellentes propriétés. Pour ce faire, l’équipe a eu recours à l’approche nanomécanique brevetée de l’UCLouvain d’essai sur puce reposant sur des méthodes de fabrication microélectronique, à des essais de traction et de la caractérisation dans un microscope électronique à transmission, à de la nanoindentation ainsi que de la modélisation 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. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.
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