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Composite de cuivre inspiré de la nacre permettant d'atteindre une dilatation thermique nulle

Crédit : TONG Peng

Composite de cuivre bio-inspiré : expansion thermique nulle, haute conductivité

par La rédaction
7 janvier 2026
en Matériaux, Technologie

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. »

Retrouvez facilement Enerzine dans les actualités Google. G Ajouter Enerzine

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

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Tags: compositeconductiviteexpansionthermique
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Zero-thermal-expansion (ZTE) materials are widely used in precision optics, cryogenic equipment, sensors, where even small temperature changes can cause performance problems. Yet creating ZTE materials that also conduct heat efficiently and remain mechanically robust has long been a challenge. Most conventional ZTE materials transfer heat poorly, while ZTE metal matrix composites often sacrifice strength and toughness due to the large amount of brittle negative-thermal-expansion particles they contain.

Inspired by hierarchical structures found in nature, a research team from the Hefei Institutes of Physical Science of the Chinese Academy of Sciences developed a novel bio-inspired laminated ZTE metal matrix composite that overcomes these limitations. The design draws inspiration from the "brick-and-mortar" laminated structure of abalone nacre, which is known for its exceptional strength and toughness, as well as the thin inner membranes of bamboo stems that enable efficient transport of water and nutrients.

The results were published in Acta Materialia recently.

In this study, the researchers designed a laminated composite composed of alternating pure copper foil layers and copper layers reinforced with Zn₀.₅Sn₀.₃Mn₀.₂NMn₃ (ZSM) NTE particles showing negative thermal expansion.. In this architecture, the copper foil layers serve as continuous heat-transfer pathways, effectively preserving the high intrinsic thermal conductivity of copper. As a result, a laminated composite incorporating 100 μm-thick copper foils exhibits a thermal conductivity about three times higher than that of conventional homogeneous ZTE metal matrix composites, ranking among the highest values reported for ZTE materials.

"The key innovation lies in separating the functions of heat conduction and thermal expansion compensation into different layers," said Prof. TONG Peng, who led the team, "By allowing copper to act as a 'thermal highway' while the NTE-reinforced layers regulate dimensional stability, we successfully avoid the performance compromise seen in traditional ZTE composites."

The structure also significantly improves mechanical performance. The copper foil layers reduce stress concentration and suppress crack propagation, causing multiple cracks to form and deflect instead of a single catastrophic failure. This mechanism allows the composite to absorb much more fracture energy, with the flexural fracture energy reaching 53 kJ·m⁻²—four times higher than that of the monolithic composite.

Meanwhile, thermal stresses at the semi-coherent interfaces between adjacent layers offset each layer' s intrinsic expansion and contraction. This stress-coupling effect results in zero thermal expansion perpendicular to the lamination direction and ultimately produces isotropic ZTE behavior.

"This design provides a new paradigm for developing ZTE materials with both high thermal conductivity and high toughness," Prof. TONG added, "It expands the application potential of ZTE composites, especially in environments involving repeated thermal shocks and mechanical impacts.”

Journal

Acta Materialia

DOI

10.1016/j.actamat.2025.121799

Article Title

A dual-bioinspired laminated approach enables high thermal conductivity and superior toughness in zero-thermal-expansion copper composites

Article Publication Date

10-Dec-2025

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