Les quasicristaux, des matériaux nouveaux à structure cristallographique non périodique

24 février 2014

Les quasicristaux, des matériaux nouveaux à structure cristallographique non périodique

Matériaux de découverte récente (1984), les quasicristaux à la structure ordonnée mais non périodique, pourraient permettre de mettre au point des superalliages d'aluminium dotés de propriétés exceptionnelles (résistance à l'usure, isolation thermique et électrique, ...).

Quasicristal Al-Cu-Fe

Principe des quasi-cristaux
Les quasi-cristaux sont des substances dont les atomes sont disposés de manière ordonnée (symétrie pentagonale), mais non périodique. Alors que les cristaux ont une structure périodique (la position des atomes se répétant de la même manière dans tout le matériau), la répartition des atomes dans les quasicristaux s'organise selon des clusters qui suivent une loi utilisant le nombre d'or (1.618033). La compréhension du mouvement très particulier des dislocations dans ces matériaux est un enjeu majeur pour la compréhension et la prédiction de leurs propriétés mécaniques.

Les alliages en quasicristaux
Les quasicristaux se rencontrent dans de nombreux alliages ternaires , en particulier à base aluminium (AlMnSi, AlLiCu, AlCuFe, AlPdMn, MgZnTR, …) et quelques plus rares alliages binaires (AlMn, CdCa, CdY,…). Plus d'une centaine de phases de quasicristaux ont été caractérisées au cours de ces quinze dernières années et la liste ne cesse de s'allonger. La plupart de ces phases sont thermodynamiquement stables et possèdent des domaines d'existence, dans les diagrammes d'équilibre, pour des concentrations en général assez étroites.

Une découverte en deux temps
L'étude d'un modèle mathématique -pavage non-périodique de Penrose- publiée en 1972, a précédé la découverte expérimentale des quasicristaux en 1982 (par un chercheur Israelien Dan Shechtman) sur des alliages d'aluminium et de manganèse. En 1992, l'Union internationale de cristallographie a modifié la définition d'un cristal pour englober les quasi-cristaux.

Les propriétés des quasi-cristaux
Les alliages réalisés en quasi-cristaux ont des propriétés particulières :

Isolant thermique et électrique bien que ce soit des alliages métalliques
Extrêmement durs. Ainsi, la dureté des quasicristaux d'aluminium se rapproche de celle des aciers (HV 500 à 800)
Module d'Young élevé (100 à 200 GPa contre 70 GPA pour l'aluminium)
Grande fragilité à température ambiante qui limite fortement leur potentiel à ce jour
Résistance à l'usure et au frottement
Thermiquement stable à température élevée

Ainsi on peut les imaginer rentrant dans la composition de certains revêtements (ce qui a été réalisé dans le cas d'une poêle anti-adhésive) ou en tant qu'isolant thermique. Ils ont cependant à ce jour peu d'applications industrielles probantes.

Utilisation en tant que matériau massif peu crédible
L'élaboration de ces quasicristaux en tant que matériau massif paraît peut réaliste, notamment en raison de leur grande fragilité à température ambiante. Cependant, quelques articles et un brevet portent sur l'utilisation des quasicristaux en tant que matériau dispersif au sein d'une matrice métallique et consistent à tirer profit de leur dureté élevée.
L'intérêt d'utiliser des quasicristaux comme particules dispersantes dans une matrice par rapport aux performances obtenues à partir de phases cristallines intermétalliques (dispersion d'oxydes ou précipitation de type Ni3Al par exemple) reste tout de même à démontrer.

Elaboration des quasicristaux
A l'heure actuelle, seule de très petites quantités d'alliage peuvent être élaborées dans des conditions de laboratoire par un grand nombre de méthodes utilisant du refroidissement lent ou rapide :

Twin-roll - solidification d'une très fine bande de métal sur une roue tournante avec un très fort gradient de température
Solidification dirigée lente autour d'un germe initial permettant d'obtenir des mono-quasicristaux de taille centimétrique (méthode de Czochralsky)
Projection thermique ou plasma
Dépôt en phase vapeur

Elaboration par solidification dirigée Structure atomique d'un quasicristal

Les équipes de R&D dans ce domaine en France