Bioinspired Structural Ceramic Composite – BICuIT

Afin de comprendre et optimiser les propriétés de ces matériaux bioinspirés, une approche usuelle de science des matériaux a été utilisée, allant des procédés d’élaboration et mise en forme à la caractérisation microstructurale des matériaux et de leurs propriétés mécaniques. Des approches numériques de dynamique brownienne et de modélisation par éléments discrets ont permis de guider et compléter les études expérimentales, à différents stades du processus. Une caractérisation microstructurale fine a été effectuée, avec une attention particulière accordée à la caractérisation de la texture des matériaux. Les propriétés mécaniques ont été étudiées à différentes échelles, du microscopique au macroscopique. En outre, des essais mécaniques in situ sous microscope ont été développés et utilisés pour mieux appréhender les mécanismes de renforcement des matériaux, en combinant la microscopie électronique avec corrélation d’images et la microscopie Raman, pour mesurer l’état de contrainte local tout en suivant la propagation de fissure dans le matériau. Les grands instruments (synchrotron) ont également été mis à contribution, pour caractériser la cristallographie des poudres utilisées.

L’avancée la plus significative a été la mise au point d’une approche industrialisable pour la mise en forme de ces composites bioinspirés. Cette nouvelle méthode, basée sur des outils industriels et permettant de faire des pièces de plus grandes dimensions, devrait permettre le passage du laboratoire à des applications éventuelles. La caractérisation des matériaux et de leurs propriétés mécaniques, couplée à de nouvelles approches de modélisation des procédés et des propriétés, a également permis de mettre en place une démarche rationnelle pour la compréhension et l’amélioration des propriétés de ces matériaux, qui manquait jusqu’à présent.

Les avancées réalisées au cours du projet BICuIT ont mis en avant le rôle critique de l’interphase (mortier) et de ses propriétés mécaniques. Il est aujourd’hui clair que les travaux futurs se concentreront sur le contrôle de ces interfaces, essentielles pour optimiser les propriétés mécaniques. Ces matériaux restent toutefois relativement hétérogènes, notamment du point de vue de la répartition des phases, et l’amélioration du matériau devra prendre en compte ces contraintes.

Les outils développés au cours du projet, notamment sur l’imagerie in situ des champs de contraintes par Raman, la modélisation par éléments discrets de la rupture, ou encore l’application de critère couplé en mécanique de la rupture, devraient également trouver des applications et développements ultérieurs au-delà de ces matériaux spécifiques.

La disponibilité d'outils industriels devrait faciliter l'étude et le développement de ces composites céramique/céramique bioinspirés pour des applications structurelles. Des pièces céramiques de formes plus complexes que de simples cylindres ont déjà été rapportées en utilisant la FAST, avec une attention particulière au contrôle de la microstructure dans des zones critiques à travers les matériaux. Le développement ultérieur et l’application industrielle éventuelle de ces matériaux dépend désormais de l’identification d’opportunités ou cette combinaison de propriétés serait suffisamment intéressante

Les articles concernent les nouveaux procédés de mise en forme des matériaux développés et étudiés au cours du projet mais également la caractérisation de la microstructure et des propriétés mécaniques à petite et grande échelle de ces nouveaux matériaux composites bioinspirés ainsi que des méthodes originales de simulation numérique dédiées à ces matériaux. De nouvelles compositions plus performantes ont également été étudiées. Plusieurs actions de diffusion scientifique vers le public (presse, télé) ont également eu lieu.

1) Muñoz M, Cerbelaud M., Videcoq A, Saad H, Boulle A, Meille S, Deville S et Rossignol F, Nacre-like alumina composites based on heteroaggregation, J Eur Ceram Soc 40, 5773-5778 (2020) 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.06.049
2) Doitrand A, Henry R, Saad H, Deville S, Meille S, Determination of interface fracture properties by micro- and macro-scale experiments in nacre-like alumina, J Mech. Phys. Solids 2020, vol. 145, article n°104143, 10.1016/j.jmps.2020.104143
3) Saad H, Radi K, Douillard T, Jauffres D, Martin C, Meille S, Deville S, A simple approach to bulk bioinspired tough ceramics, Materialia 2020, vol. 12, article n°100807, 10.1016/j.mtla.2020.100807
4) Radi K, Saad H, Jauffres D, Douillard T, Meille S, Deville S, Martin C, Effect of microstructure heterogeneity on the damage resistance of nacre-like alumina: insights from image-based discrete simulations, Scripta Materialia 2021, vol. 191, pp. 210-214, 10.1016/j.scriptamat.2020.09.034
5) Henry R, Saad H, Doitrand A, Deville S, Meille S, Interface failure in nacre-like alumina, J Eur Ceram Soc 2020 doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.068
6) Lafond, C. et al. eCHORD orientation mapping of bio-inspired alumina down to 1 kV. Materialia 101207 (2021). doi:10.1016/j.mtla.2021.101207
7) Radi, K., Jauffres, D., Deville, S. & Martin, C. L. Strength and toughness trade-off optimization of nacre-like ceramic composites. Compos. Part B Eng. 183, (2020) 10.1016/j.compositesb.2019.107699
8) Radi, K., Jauffrès, D., Deville, S. & Martin, C. L. Elasticity and fracture of brick and mortar materials using discrete element simulations. J. Mech. Phys. Solids 126, 101–116 (2019) 10.1016/j.compositesb.2019.107699
9) Henry R, Saad H, Dankic-Cottrino S, Deville S, Meille S, Nacre-like alumina composite reinforced by zirconia particles, (en revision chez J Eur Ceram Soc). Preprint: 10.33774/chemrxiv-2021-7xpm9
10) Cerbelaud M, Muñoz M, Rossignol F et Videcoq A, Self-Organization of Large Alumina Platelets and Silica Nanoparticles by Heteroaggregation and Sedimentation : Toward an Alternative Shaping of Nacre-Like Ceramic Composites, Langmuir 36, 3315-3322 (2020) 10.1021/acs.langmuir.0c00170
11) Abando, N. et al. Anisotropy effect of bioinspired ceramic/ceramic composites: Can the platelet orientation enhance the mechanical properties at micro- and submicrometric length scale? J. Eur. Ceram. Soc. 41, 2753–2762 (2021) 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.12.039

Résistance et ténacité élevées sont généralement mutuellement exclusives pour les matériaux de structure. Augmenter la ténacité des céramiques permettrait d’apporter une réponse à cette contradiction. Ceci constitue un enjeu essentiel pour de nombreuses applications, notamment dans les domaines de l’énergie et l’aéronautique, où le développement de nouveaux matériaux de structure pour des conditions extrêmes et tolérants à l’endommagement sera nécessaire dans les années à venir. BICuIT propose une approche bioinspirée pour élaborer des matériaux composites tenaces et entièrement céramiques qui répondent ce besoin. L’élaboration se base sur la réplication de cristaux de glace (ice-templating) pour obtenir une structure “brique et mortier” inspirée de l’architecture de matériaux naturels comme la nacre de certains coquillages (Bouville, F. et al. (2014). Strong, tough and stiff bioinspired ceramics from brittle constituents. Nature Materials).

L’objectif de BICuIT est d’amener ces nouveaux matériaux à leur optimum grâce à un contrôle rationnel de leur architecture et une compréhension fine des mécanismes de renforcement et des relations procédés/structure/propriétés.

Deux axes seront développés pour atteindre cet objectif :

- une amélioration drastique des techniques d’élaboration, comprenant une amélioration de l’homogénéité de l’interphase et de ses propriétés, l’étude d’une méthode alternative pour l’alignement des plaquettes (pressage) permettant d’obtenir des pièces de plus grandes dimensions, et l’introduction contrôlée de contraintes résiduelles;
- une compréhension fine des mécanismes de renforcement grâce à une caractérisation poussée (essais in-situ, imagerie 3D, spectroscopie Raman) et à la modélisation par éléments discrets de la rupture de ces matériaux, prenant en compte la microstructure réelle;