Une céramique fiable pour des systèmes haute performance

Les études sur les céramiques de pointe ont mis en relief leurs exceptionnelles propriétés mécaniques, thermiques et tribologiques, particulièrement pour des utilisations comme les paliers coulissants et roulants modernes, la métallurgie et les outils de coupe. L'équipe du projet ROLICER (Enhanced reliability and lifetime of ceramic components through multiscale modelling of degradation and damage) a cherché à combler les actuelles lacunes sur les propriétés microstructurelles des céramiques, leur fragilité et leur dégradation. La microstructure d'une céramique contrôle son comportement mascroscopique, aussi toute dégradation de cette microstructure affectera la fiabilité de tous les composants en service.

Les chercheurs ont combiné une série d'outils de simulation et d'expériences ciblées pour modéliser les mécanismes de dégradation affectant la durée de vie et la fiabilité du nitrure de silicium. Des calculs et des simulations de fractures à l'échelle atomique permettent de déterminer l'orientation et les plans des fractures les plus probables à l'échelle macroscopique. En utilisant des simulations à l'échelle macroscopique, il est aussi possible d'identifier des gradients de stress qui influencent l'état des contraintes au niveau de la fissure, et de proposer des recommandations en matière de conception ou de charge.

En utilisant l'analyse par éléments finis, les chercheurs ont étudié avec succès le comportement des fractures du nitrure de silicium soumis à différentes charges. Des modèles de zone cohésive ont aidé à simuler et prévoir l'apparition et la propagation de petites fissures de 10 à 100 μm. Pour les fissures plus importantes, l'équipe a utilisé la méthode des éléments finis étendue.

À l'échelle atomique, l'accent a été mis sur la modélisation exacte des propriétés des grains, des interfaces des grains, des structures générales et des films d'interface intergranulaire (IGF) qui apparaissent aux frontières des grains. Ces simulations ont permis aux chercheurs d'étudier la force de cohésion des grains de nitrure de silicium, avec ou sans défauts et impuretés. D'autre part, des simulations d'IGF ont facilité l'étude de l'adhérence entre les grains.

En fonction des résultats des simulations numériques, les travaux se sont intéressés à la conception et l'utilisation du matériau par l'industrie. L'équipe a réussi à produire et tester deux catégories de nitrure de silicium adaptées au laminage à chaud. Les rouleaux de céramique ont traité 150 000 kilos de différentes qualités d'acier, dont une quantité sans précédent de câbles en super alliage à base de nickel.

Le travail mené par l'équipe de ROLICER est sur le point de connaître une application dans le domaine industriel. Les résultats du projet devraient contribuer à une large diversification des systèmes haute performance utilisant des composants en céramique, dont les engrenages en céramique et les systèmes de friction.