Processing, microstructural and mechanical characterization of nacre-like alumina

Elaboration et caractérisation microstructurale et mécanique d'alumine bioinspirée Les céramiques, qu’elles soient traditionnelles ou de haute technologie, présentent toutes un défaut : leur fragilité. Cela se traduit par leur faible ténacité qui limite leur utilisation pour des applications nécessitant une importante résistance à la fissuration. Pour pallier cette fragilité intrinsèque, les céramiques sont parfois combinées à d’autres matériaux plus tenaces (métal ou polymère), ce qui s’accompagne généralement de limitations plus ou moins sévères telle qu’une perte de propriétés à haute température. L’élaboration de céramiques tenaces combinant résistance à la fissuration et haute résistance mécanique est donc un enjeu scientifique et industriel majeur. La bio-inspiration a permis au cours de ces dernières années le design de structures complexes combinant des propriétés initialement exclusives. L’exemple le plus courant est celui de la nacre qui de par sa structure « brique-mortier » possède une ténacité très supérieure à celle de son élément principal, le carbonate de calcium. La retranscription de ces structures dans les céramiques a été possible grâce au développement de techniques telles que l’ice-templating. Cependant, l’industrialisation de ces matériaux reste encore difficile à cause notamment des problèmes de reproductibilité et de scale-up associées à ces techniques. Nous présentons ici un procédé simple, basé sur le frittage assisté par champ (FAST), pour l’élaboration d’un tel composite bio-inspiré. Le matériau final est obtenu en alignant des plaquettes microniques d’alumine sous la pression uniaxiale du procédé FAST et présente une phase vitreuse aluminosilicate aux interfaces. L’amélioration de résistance à la propagation de la fissure se caractérise par un effet R-curve ainsi qu’une ténacité de fissuration comprise entre 5 et 6MPa.m1/2. Ce procédé simple permet donc de s’affranchir des problèmes de taille d’échantillons associés aux techniques déjà existantes, et permet de fabriquer des échantillons jusqu’à 1cm d’épaisseur. Nous nous intéressons également au cours de ce travail à la compréhension des mécanismes à l'origine de cette microstructure brique-mortier et des bonnes propriétés mécaniques. Une caractérisation complète est ainsi réalisée sur la base du triangle « procédé-microstructure-propriétés ». D'une part, une étude paramétrique du processus de frittage combinée à une caractérisation microstructurale a été réalisée dans le but de comprendre comment le procédé FAST peut conduire à des structures brique-mortier complexes. D'autre part, une caractérisation mécanique exhaustive a révélé que la déviation des fissures est le principal mécanisme de renforcement de ce composite et a mis en évidence l'effet critique des interfaces dans ces systèmes. La caractérisation mécanique a été réalisée à la fois à l'échelle macroscopique et microscopique afin d'évaluer l'effet de la résistance et de la composition de l'interface sur la réponse mécanique globale du matériau.