Les chercheurs en ingénierie de l'Université Purdue ont récemment réalisé une percée dans le domaine de la science des matériaux et ont développé avec succès un nouveau matériau composite nanolaminé cobalt-aluminium. Ce matériau brise complètement la malédiction de la résistance et de la ductilité incompatibles des métaux traditionnels à haute performance. Sa résistance peut être jusqu'à 10 fois supérieure à celle de l'acier de construction à haute résistance, et il présente toujours une excellente résistance à la déformation et à la rupture à température ambiante. Les résultats de la recherche ont été officiellement publiés dans la revue Science Advances.
Dans les domaines de haute précision tels que l'aérospatiale et l'énergie, les composants clés tels que les aubes de turbine doivent résister à des températures extrêmement élevées et à des contraintes mécaniques sévères sans se plier, se fissurer ou fluer. Bien que les composés intermétalliques tels que le cobalt et l'aluminium aient des points de fusion, une résistance au fluage et une résistance extrêmement élevés en raison de leurs structures cristallines hautement ordonnées, leur faiblesse fatale est qu'ils sont extrêmement fragiles à température ambiante et se briseront au moindre impact externe, ce qui les obligera à faire face à d'énormes défis dans la fabrication et l'application réelles.
Pour résoudre ce problème industriel, une équipe de recherche de l’Université Purdue a rompu avec les conventions et introduit des imperfections à l’échelle atomique dans le processus de fabrication. Les chercheurs ont utilisé la technologie de dépôt par pulvérisation magnétron pour transformer le matériau directement de la vapeur d’alliage en un film solide. Au cours du processus, ils ont intelligemment implanté un grand nombre de dislocations microscopiques préexistantes à l’intérieur du matériau cobalt-aluminium et ont construit une structure unique composée d’une interface amorphe. Ces limites flexibles amorphes se cristalliseront partiellement lorsqu'elles seront extrudées et déformées par des forces externes, activant et induisant ainsi davantage de dislocations dans la couche de cobalt-aluminium environnante. Cette conception microscopique confère au réseau cristallin initialement fragile un nouveau mécanisme d’absorption et de déformation d’énergie.
Des tests nanomécaniques montrent que la limite d'élasticité de ce nouveau matériau nanolaminé cobalt-aluminium atteint le chiffre étonnant de 6 gigapascals, ce qui équivaut à 6 à 10 fois celle de l'acier de construction à haute résistance. Dans le même temps, il peut résister à plus de 15 % de déformation plastique dans des conditions de compression à température ambiante, démontrant une forte résistance à la déformation permanente et à la rupture fragile. Des chercheurs de l’Université de Houston ont en outre confirmé grâce à des simulations de dynamique moléculaire que cette interface amorphe agit comme une source active de déformation plastique lorsqu’elle est sous pression, équilibrant parfaitement une résistance mécanique ultra-élevée et une excellente ductilité.
L'équipe de recherche a déclaré que cette avancée fournit non seulement une nouvelle façon de résoudre les défauts de fragilité des composés intermétalliques, mais établit également une base solide pour la conception future de matériaux avancés dans les domaines de l'aérospatiale, de l'exploration spatiale et de l'énergie et de la défense de pointe. Dans la prochaine étape, les chercheurs travailleront à étendre ce concept de conception structurelle à l'échelle nanométrique à la fabrication de composites en vrac à plus grande échelle et à promouvoir son application à d'autres systèmes de composés intermétalliques fragiles afin de promouvoir de nouveaux alliages ultra-résistants et résistants vers des applications industrielles plus larges.