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Éliminer les contraintes au cours de la conception des nanomatériaux

Financé par l'UE, le projet ISTRESS a développé une nouvelle méthode pour réduire les contraintes résiduelles intrinsèques aux matériaux nanostructurés, qui devrait permettre à l'industrie d'améliorer leur fiabilité et leur solidité.
Éliminer les contraintes au cours de la conception des nanomatériaux
Tous les matériaux comportent des contraintes résiduelles, qui sont des contraintes intrinsèques subsistant dans un matériau et liées en général à la façon dont ils ont été fabriqués. «Les performances d'un composant peuvent être remarquablement améliorées si les contraintes résiduelles sont correctement contrôlées et évaluées, et c'est ce à quoi s'est attelé ISTRESS», déclare Marco Sebastiani, spécialiste des sciences des matériaux à l'Université de Rome III et coordinateur du projet ISTRESS. D'une durée de trois ans et ayant pris fin en 2016, ce projet financé par l'UE a mis au point des méthodes permettant d'analyser et modifier ces contraintes à l'échelle nanométrique.

«Le contrôle des contraintes résiduelles est un facteur très important pour améliorer la fiabilité et la solidité des nanomatériaux», explique M. Sebastiani. Les contraintes résiduelles affectent les propriétés mécaniques, comme la solidité, l'adhérence, la friction et l'usure. C'est particulièrement le cas avec des nanomatériaux tels que les films fins utilisés dans les composants de téléphonie mobile et les matériaux des prothèses médicales de genou et de hanche.

«La distribution des contraintes résiduelles entre interfaces peut considérablement affecter les matériaux en couches et, par exemple, entraîner une défaillance précoce des revêtements de barrière thermique et des superalliages utilisés dans les moteurs d'avion», déclare M. Sebastiani. «La capacité de concevoir, mesurer et contrôler les contraintes résiduelles avec une résolution inférieure au micron peut avoir un effet spectaculaire sur les performances de ces composants», ajoute-t-il.

Le consortium d'ISTRESS a cherché à améliorer l'analyse des contraintes résiduelles à l'échelle nanométrique. Les techniques actuelles sont souvent trop coûteuses pour l'industrie. ISTRESS a tenté de résoudre ce problème en proposant une nouvelle méthode servant à mesurer les contraintes résiduelles avec une résolution spatiale inférieure au micromètre, tout cela à un coût raisonnable.

Les chercheurs ont développé une méthode en trois étapes utilisant un faisceau d'ions focalisé (FIB) pour pulvériser à l'échelle nanométrique de très faibles quantités du matériau testé. En utilisant un microscope électronique à balayage (SEM) et la corrélation d'images numérique (DIC), une méthode d'analyse permettant de mesurer les déplacements entre deux images, les contraintes résiduelles sont mesurées en détectant les changements de forme (appelées relaxation) associés à la pulvérisation du matériau. Totalement automatisée, cette méthode (FIB-SEM-DIC) permet d'effectuer une mesure complète en une heure, en utilisant des microscopes conçus et fabriqués par l'entreprise tchèque TESCAN (un partenaire à part entière du projet ISTRESS).

L'équipe a communiqué avec deux organisations de normalisation industrielle, le Comité européen de normalisation (CEN) et le Programme de Versailles sur les matériaux de pointe et les normes (VAMAS), afin de mettre au point une méthodologie standardisée qui a été testée sur des échantillons de référence industriellement représentatifs.

La méthode a déjà été utilisée par deux partenaires industriels pour optimiser le développement de nouveaux matériaux. L'entreprise allemande Bosch a développé un nouveau revêtement multicouche appliqué sur les valves des systèmes d'injection de moteurs diesel. En réglant les profils de contraintes résiduelles, ils sont parvenus à une remarquable amélioration de la résistance à l'usure des composants, sans que cela n'entraîne une augmentation du coût de production. La société multinationale française Thales a amélioré les distributions des contraintes dans un système micro-électromécanique innovant qu'elle a développé pour l'avionique, obtenant une amélioration des performances sans surcoût.

Cette nouvelle méthode apporte à l'industrie des méthodes d'optimisation de la conception auparavant trop coûteuses. «Pour une PME, il est difficile d'acquérir un microscope FIB, mais nous avons atteint le niveau d'automatisation nécessaire pour qu'elles puissent accéder à cette méthode en louant une journée de temps FIB», déclare M. Sebastiani. «En dehors du consortium ISTRESS, plusieurs entreprises européennes utilisent déjà cette nouvelle méthode pour développer leurs propres produits.»

Mots-clés

ISTRESS, matériaux nanostructurés, films fins, contraintes intrinsèques, contraintes résiduelles, faisceau d'ions focalisé (FIB), microscopie électronique à balayage (SEM), corrélation d'images numériques (DIC)