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Ouvrir la voie aux matériaux métalliques de pointe

À la différence des matériaux métalliques classiques, les verres métalliques sont des alliages, qui, du fait de leur structure amorphe, présentent la spécificité de pouvoir être moulés et coulés plus efficacement. Un projet de l’UE s’est attelé à améliorer leurs options de traitement afin de maximiser leur potentiel.
Ouvrir la voie aux matériaux métalliques de pointe
Dans leur état solide, les métaux consistent en une structure atomique cristalline très régulière. Cependant, si les alliages de métaux sont refroidis extrêmement rapidement via le processus de «trempe», ils produisent un verre métallique dont la structure atomique est irrégulière. Ces matériaux peuvent alors être moulés en des formes spécifiques et être coulés de manière efficace, par exemple en limitant la rétraction, pour des applications sur mesure. Cependant, une des contraintes des verres métalliques est que la vitesse de trempe nécessaire pour éviter la cristallisation impose une limite en matière de taille des échantillons produits.

Le projet VITRIMETTECH, financé par l’UE, a permis de former un groupe de jeunes chercheurs aux méthodes de pointe de travail des verres métalliques, notamment sous leur forme massive, pour des applications destinées aux micro-pièces fonctionnelles, biomécaniques, chimiques et structurelles. Le projet est parvenu à synthétiser des matériaux aux deux extrêmes de la trempe: des objets de l’ordre du centimètre et de forme complexe constitués d’un alliage magnétique et coulés sous haute pression, et des films minces et des nanograins vitreux reliés par une «colle» vitreuse épaisse de quelques nanomètres.

Des échantillons allant des nanomètres aux centimètres

Les verres métalliques sont utilisés pour des applications différentes en fonction de leur composition. Par exemple, ceux qui ont une base de fer ou de cobalt sont utilisés dans les dispositifs électromagnétiques, tandis que ceux constitués de titane sont adaptés pour les revêtements des implants corporels.

Les verres métalliques sont connus pour être intrinsèquement friables, ce qui signifie qu’ils peuvent se déliter en cas de stress ou de température intense, ce qui provoque ce que l’on appelle des bandes de cisaillement. Le projet VITRIMETTECH en a étudié l’origine et les dynamiques et a mis en évidence que leur vitesse de glissement pouvait être réduite et que le verre pouvait être régénéré grâce à des traitements mécaniques touchant la microstructure du verre, comme par exemple la torsion sous haute pression ou le grenaillage (qui consiste à modeler le métal en projetant un abrasif métallique).

L’objectif principal du projet était de mieux comprendre les propriétés mécaniques des matériaux en verre métallique et d’améliorer la disponibilité en matériaux dans les domaines dans lesquels ils sont déjà en production (par exemple les dispositifs magnétiques). Il s’est également attelé à ouvrir de nouveaux champs en chimie (par exemple en catalyse et spectroscopie) et en ingénierie électrique et électronique (par exemple les composants de moteurs).

Le partenaire industriel du projet, un fabricant de machines de coulage sous pression, est désormais en mesure de développer des machines capables de produire des verres métalliques magnétiques de formes complexes. Les chercheurs sont également parvenus à produire un noyau de transformateur laminé pour un moteur asynchrone breveté. Ils ont aussi contribué à améliorer la formulation de l’alliage d’un aimant doux amorphe et nanocristallin pour les machines électromagnétiques, qui présente des caractéristiques magnétiques optimisées par rapport aux matériaux de base.

Les verres métalliques ont également été utilisés pour développer de l’or et de l’argent nanoporeux destinés à être utilisés respectivement dans des piles à combustibles par électro-oxydation de méthanol ou dans des piles à combustibles alcalines.

En tant que coordinateur du projet, le professeur Livio Battezzati résume «nous avons mené des recherches de pointe sur les verres métalliques de toutes les tailles, des plus volumineux aux films minces, tout en formant un groupe de jeunes chercheurs qui diffuseront nos résultats auprès d’entreprises industrielles et qui, de cette manière, pourront élargir leur potentiel en matière d’innovation».

Création de valeur pour l’économie européenne

Les recherches en matière de matériaux métalliques de pointe vont représenter une valeur stratégique et technique croissante pour l’industrie manufacturière européenne dans les décennies à venir. Les améliorations pourrait permettre une utilisation plus intelligente d’une quantité inférieure de métaux, associée à de meilleures options de recyclage.

Comme le déclare le professeur Battezzati, «même si les verres métalliques n'ont pas d’impact direct sur la vie de millions de gens, ils auront des effets sur l’applicabilité industrielle des matériaux et donc sur le développement de produits améliorés et de nouveaux dispositifs. En outre, les résultats du projet contribueront à maintenir la recherche européenne sur le devant de la scène dans ce domaine».

L’équipe de recherche travaille désormais à la construction de capteurs chimiques et de dispositifs électromagnétiques à partir des matériaux mis au point au cours du projet. Les partenaires du projet continuent par ailleurs d’explorer un grand nombre de ramifications de ces recherches comme: une étude plus poussée de la capacité des verres métalliques à supporter les efforts de traction («ductilisation»), une meilleure compréhension de la dynamique des atomes dans leur état vitreux et du mécanisme de corrosion localisée, et l’amélioration permanente des propriétés magnétiques.

Thèmes

Life Sciences

Mots-clés

VITRIMETTECH, métaux, verre métallique, alliage, matériaux de pointe, électromagnétique, bandes de cisaillement, catalyse, spectroscopie, moteurs, corrosion