Les matériaux à expansion thermique nulle (ZTE) sont largement utilisés dans l’optique de précision, l’équipement cryogénique et les capteurs, où même de petits changements de température peuvent causer des problèmes de performance. Cependant, créer des matériaux ZTE qui conduisent également efficacement la chaleur et restent mécaniquement robustes a longtemps été un défi. La plupart des matériaux ZTE conventionnels transmettent mal la chaleur, tandis que les composites à matrice métallique ZTE sacrifient souvent la résistance et la résilience en raison de la grande quantité de particules fragiles à expansion thermique négative qu’ils contiennent.
S’inspirant des structures hiérarchiques trouvées dans la nature, une équipe de recherche des Instituts de sciences physiques de Hefei de l’Académie chinoise des sciences a développé un nouveau composite à matrice métallique ZTE stratifié bio-inspiré qui surmonte ces limitations. La conception s’inspire de la structure stratifiée « brique et mortier » de la nacre d’ormeau, connue pour sa résistance et sa résilience exceptionnelles, ainsi que des fines membranes internes des tiges de bambou qui permettent un transport efficace de l’eau et des nutriments.
Les résultats ont été publiés récemment dans Acta Materialia.
Dans cette étude, les chercheurs ont conçu un composite stratifié composé de couches alternées de feuilles de cuivre pur et de couches de cuivre renforcées par des particules NTE Zn₀.₅Sn₀.₃Mn₀.₂NMn₃ (ZSM) présentant une expansion thermique négative. Dans cette architecture, les couches de feuilles de cuivre servent de voies de transfert de chaleur continues, préservant efficacement la haute conductivité thermique intrinsèque du cuivre. En conséquence, un composite stratifié incorporant des feuilles de cuivre de 100 μm d’épaisseur présente une conductivité thermique environ trois fois supérieure à celle des composites métalliques ZTE homogènes conventionnels, se classant parmi les valeurs les plus élevées rapportées pour les matériaux ZTE.
« L’innovation clé réside dans la séparation des fonctions de conduction de la chaleur et de compensation de l’expansion thermique dans des couches différentes, » a expliqué le professeur TONG Peng, qui a dirigé l’équipe. « En permettant au cuivre d’agir comme une ‘autoroute thermique’ tandis que les couches renforcées NTE régulent la stabilité dimensionnelle, nous évitons avec succès le compromis de performance observé dans les composites ZTE traditionnels. »
La structure améliore également significativement les performances mécaniques. Les couches de feuilles de cuivre réduisent la concentration de contraintes et suppriment la propagation des fissures, provoquant la formation et la déviation de multiples fissures au lieu d’une seule défaillance catastrophique. Ce mécanisme permet au composite d’absorber beaucoup plus d’énergie de fracture, l’énergie de fracture en flexion atteignant 53 kJ·m⁻² — quatre fois plus élevée que celle du composite monolithique.
Pendant ce temps, les contraintes thermiques aux interfaces semi-cohérentes entre les couches adjacentes compensent l’expansion et la contraction intrinsèques de chaque couche. Cet effet de couplage des contraintes entraîne une expansion thermique nulle perpendiculairement à la direction de stratification et produit finalement un comportement ZTE isotrope.
« Cette conception fournit un nouveau paradigme pour développer des matériaux ZTE à la fois à haute conductivité thermique et à haute résilience, » a ajouté le professeur TONG. « Elle élargit le potentiel d’application des composites ZTE, en particulier dans les environnements impliquant des chocs thermiques répétés et des impacts mécaniques. »
Article : A dual-bioinspired laminated approach enables high thermal conductivity and superior toughness in zero-thermal-expansion copper composites – Journal : Acta Materialia – DOI : Lien vers l’étude
Source : CAS
