Le courant passe pour les céramiques à autodiagnostic
D’un mur porteur à une pièce de moteur d’avion, le même problème se pose : comment vérifier l’intégrité d’un matériau sans le détruire ? Des chercheurs du laboratoire Mateis et des universités londoniennes Queen Mary et Imperial College ont développé des céramiques capables d’autodiagnostic, en s’inspirant de la nacre des coquillages. Renforcées contre les fissures, elles disposent également d’un réseau de graphène qui permet de détecter à tout moment un endommagement interne. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.
Si les fêlures et autres fissures menacent la structure des matériaux, elles n’apparaissent pas toujours en surface. Ces dommages internes doivent donc être surveillés, idéalement sans avoir à prélever et détruire un échantillon. Des chercheurs du laboratoire Matériaux : ingénierie et science (Mateis, CNRS/Université Claude Bernard/INSA Lyon), de la Queen Mary University of London et de l’Imperial College London ont développé, pour cela, des céramiques multifonctionnelles. Leur microstructure consiste en un réseau interconnecté de graphène avec une matrice en verre d’oxycarbure de silicium. Le matériau conduit particulièrement bien l’électricité grâce au réseau de graphène. Lorsque la structure se fissure, les défauts et dommages altèrent le réseau de graphène et diminuent sa capacité à conduire l’électricité. L’existence d’un problème interne devient ainsi détectable et quantifiable en continu.
La présence de ce réseau réduit cependant la contrainte mécanique maximale supportée par l’ensemble. Cet effet est contrebalancé par une technique qui s’inspire de la structure naturelle de la nacre des coquillages. Les interfaces entre le graphène et la matrice en verre d’oxycarbure de silicium permettent de dévier les fissures, et ainsi de consommer davantage d’énergie lors de leur propagation puisqu’elles ne vont plus en ligne droite. Le matériau va s’endommager, mais risque beaucoup moins de se rompre de manière fragile, comme l’aurait fait la matrice de verre sans le réseau de graphène.
Ces travaux pourraient trouver des applications dans tous les domaines où les céramiques sont sollicitées : des industries automobile et aérospatiale aux implants biomédicaux.
© Mateis
Réseau de graphène avant imprégnation par la matrice - barre d’échelle 100 µm
Illustration de la déviation de fissures aux interfaces - barre d’échelle 50 µm (image d) et 2 µm (f)
Références :
Using graphene networks to build bioinspired self-monitoring ceramics
Olivier T. Picot, Victoria G. Rocha, Claudio Ferraro, Na Ni, Eleonora D’Elia, Sylvain Meille, Jerome Chevalier, Theo Saunders, Ton Peijs, Mike J. Reece & Eduardo Saiz
Nature Communications, 8, 14425 (2017)
DOI :10.1038/ncomms14425