Une nouvelle céramique chinoise peut en fait se plier comme du métal

Oct 04, 2023

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Des chercheurs chinois ont créé la première substance céramique au monde capable de se plier comme du métal. Ce développement, s'il est vrai, pourrait améliorer les articulations artificielles et les performances du moteur.

Avant cette découverte, on croyait généralement que la flexibilité et la résistance d'une céramique étaient opposées et que l'une s'aggraverait si l'autre s'améliorait.

Chen Kexin, un scientifique des matériaux qui a dirigé la recherche, affirme que le nouveau matériau est la première fois que les scientifiques ont rendu à la fois plus solide et plus léger. Il a la dureté de la céramique et la souplesse du métal.

"Cette céramique peut apporter des révolutions technologiques à de nombreuses industries", a déclaré Chen, professeur au département d'ingénierie et des sciences des matériaux de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.

Le 27 octobre, Chen et ses associés de l'Université Tsinghua ont publié leurs découvertes dans la revue Science. Dans un article d'opinion paru dans le même numéro de Science, Erkka Frankberg de l'Université de Tampere en Finlande a déclaré que la découverte "pourrait conduire à des matériaux plus légers et plus résistants que même les meilleurs alliages métalliques d'aujourd'hui".

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"Il y a eu des recherches sur la plasticité de la céramique dans le monde entier depuis que j'ai commencé ma carrière il y a 30 ans. On peut dire qu'aujourd'hui nous avons enfin réalisé une percée sur ce sujet", a déclaré Chen.

Les scientifiques ont créé des nanopiliers avec deux formations cristallines différentes en utilisant du nitrure de silicium. Lorsqu'une force extérieure est appliquée sur une structure cristalline, elle peut se transformer en un autre type. Cela permet au matériau de se plier avant de reprendre sa forme d'origine.

La substance peut être particulièrement intéressante pour créer des moteurs aéronautiques. Les matériaux céramiques sont durables, légers et résistants à la chaleur. Les moteurs en céramique flexibles peuvent fonctionner à des températures nettement plus élevées et avec un rendement énergétique bien meilleur que les moteurs en alliage typiques.

Un moteur en céramique pourrait se déplacer beaucoup plus rapidement qu'un moteur en alliage car il serait beaucoup plus léger. Le stress sur les autres composants est réduit en allégeant le moteur.

La substance pourrait également être appliquée aux moteurs de voitures. Un moteur en céramique peut avoir un réservoir de liquide de refroidissement plus petit en raison de la résistance thermique supérieure des matériaux céramiques aux alliages. Les températures de combustion plus élevées d'un moteur en céramique peuvent produire plus de poussée et moins de pollution.

La céramique en nitrure de silicium peut remplacer le métal dans les prothèses articulaires car elle est biocompatible, légère et résistante aux bactéries. La plupart des articulations prothétiques en métal doivent être remplacées tous les dix ans, ce qui est coûteux et douloureux.

"Les joints artificiels fabriqués avec de la céramique peuvent durer toute une vie après l'implantation", a expliqué Chen.

Chen a également déclaré que le matériau pourrait être utilisé pour fabriquer des roulements, une partie essentielle des éoliennes reliant le générateur aux pales du ventilateur. La durabilité de chaque roulement, qui doit supporter plusieurs tonnes de pression lors de son utilisation, affecte la durée de vie globale du système.

"Nos céramiques flexibles en nitrure de silicium pourraient être utilisées pour fabriquer des roulements qui durent plus longtemps, ce qui réduirait en moyenne le coût de l'énergie éolienne", explique Chen.

"Il est possible de produire ce matériau céramique flexible à grande échelle sur la base de nos expériences. Il existe un avantage de prix évident dans le domaine des équipements haut de gamme", a-t-il ajouté.

Il a donné l'exemple des minéraux de terres rares coûteux utilisés pour fabriquer les aubes de turbine monocristallines utilisées dans les moteurs à réaction. Dans le même temps, le nitrure de silicium le plus cher se vend environ 200 dollars le kilogramme.

"Nous continuerons à améliorer ce matériau céramique sur la base de nos travaux actuels. Une fois que vous ouvrez une porte, il y a un vaste monde derrière", a déclaré Chen.

Vous pouvez voir l'étude par vous-même dans la revue Science.

Résumé de l'étude :

"Les céramiques liées par covalence présentent des propriétés prééminentes, notamment la dureté, la résistance, l'inertie chimique et la résistance à la chaleur et à la corrosion, mais leur application plus large est difficile en raison de leur fragilité à température ambiante. céramiques de nitrure de silicium (Si3N4) liées de manière covalente qui présentent une structure à deux phases avec des interfaces cohérentes. Une commutation de liaison successive est réalisée au niveau des interfaces cohérentes, ce qui facilite une transformation de phase induite par la contrainte et, éventuellement, génère une déformabilité plastique.