NANO-CÉRAMIQUES DE VERRE

En fonction de la taille des cristallites par rapport à la longueur d'onde de la lumière, les vitrocéramiques peuvent être conçues pour être soit transparentes (par exemple, avec des cristallites à l'échelle nanométrique) soit opaques (par exemple, avec des cristallites à l'échelle micrométrique).

La nature cherche toujours à réduire l'énergie nécessaire à toute réaction ou à tout événement donné. Dans cette optique, il est possible de jouer sur cet effet pour rendre plus difficile le déclenchement et la propagation d'un processus donné. Dans le cas du verre, il s'agirait de la formation et de la propagation de fissures. Lorsqu'une charge est appliquée à un matériau, elle transmet une grande quantité d'énergie au matériau, créant une situation dans laquelle le matériau doit maintenant répondre à cette énergie. Au-delà de la limite élastique, un matériau cassant comme le verre ou la céramique devrait normalement dissiper cette énergie par la formation de nouvelles surfaces, par exemple par la formation de fissures.

Les verres nanocéramiques offrent une gamme polyvalente de propriétés bénéfiques pour améliorer la résistance à la fracture du verre. La présence physique de nanocristallites ultrafines et bien dispersées sert d'inhibiteur à la propagation des fissures. Cela se produit parce que chaque fois qu'une fissure en propagation rencontre une interface nanocristalline, la fissure doit soit changer sa direction de propagation pour se déplacer autour du nanocristal, soit initier une nouvelle fissure à travers la phase cristalline elle-même.

Cependant, lorsque le nanocristal est suffisamment petit pour limiter la formation d'une limite de grain au sein de son réseau cristallin, la probabilité d'un site de faille est d'autant plus limitée. Une telle frustration du processus naturel des choses crée une barrière énergétique si énorme que la formation d'un chemin de propagation de fissure conduit à un scénario énergétiquement défavorable et la fracture est limitée ou totalement interdite.

HAUTE RÉSISTANCE AVEC MOINS DE POIDS

Pour que la propagation d'une fissure soit significativement limitée autour et au sein d'un cristal nanocéramique infusé dans du verre (verre-nanocéramique), ces fondamentaux sont essentiels :

• Une dispersion uniforme et dense des cristaux nano-céramiques dans la matrice de verre est cruciale

• Les cristaux nano-céramiques doivent avoir une dimension bien inférieure à 20 nm, afin de minimiser ou d'empêcher la formation de joints de grains à l'intérieur d'eux-mêmes

• La composition cristalline nano-céramique doit conférer au verre des fonctionnalités polyvalentes, par exemple des propriétés chimiques, optiques et électriques qui l'aident à obtenir et à conserver sa durabilité

L'un des principaux défis rencontrés lors de la préparation de nanocomposites à matrice verre-nanocéramique est la capacité à obtenir une dispersion homogène des nanocristaux. L'agglomération de particules de taille micrométrique, en particulier de grandes nanoparticules (souvent > 30 nm de taille) utilisées dans des charges lourdes, a tendance à générer des effets néfastes sur les propriétés thermiques et mécaniques du verre, car un plus petit nombre de particules de renforcement sont présentes dans d'autres zones et les agrégats peuvent agir comme centres de défauts, qui peuvent agir comme initiateurs de fissures conduisant à une défaillance structurelle du composite de verre.

LE CONTRÔLE DE LA TAILLE DES PARTICULES DE NANO-CÉRAMIQUE EST IMPORTANT

En réduisant la taille des particules de nano-céramique bien en dessous de 20 nm, on peut influencer le nombre de dislocations accumulées à une limite de grain et améliorer la limite d'élasticité d'une nano-céramique, c'est-à-dire la contrainte maximale que le cristal de nano-céramique tolère avant que la déformation ne commence.

En distribuant une quantité significative de ces particules dans une matrice de verre, on obtient une densité élevée de sites de renforcement dans une matrice de verre. Ceci est facile avec des particules nano-céramiques ultrafines car le nombre moyen de ces particules présentes dans un volume unitaire de matériau augmente de manière exponentielle, à mesure que la taille des particules diminue. Par exemple, une particule céramique de 1 µm peut être remplacée par environ un millier de particules nano-céramiques de 1 nm. Cela implique qu'avec moins de volume et de masse, une distribution de densité plus élevée de particules nano-céramiques peut être obtenue dans une matrice de verre, à une dose significativement plus faible que celle obtenue avec des particules micronisées ou même plus grosses (> 20 nm).

VERRE CHIMIQUEMENT NANO-TREMPÉ

La fracture du verre a inévitablement son origine à l'échelle nanométrique (c'est-à-dire la rupture de liaison). La trempe chimique est une méthode très efficace pour améliorer la résistance via l'incorporation d'une contrainte de compression élevée dans les surfaces du verre. Une conception d'optimisation topologique du verre à l'échelle nanométrique peut être obtenue, en utilisant des cristaux nano-céramiques de composition variable, en combinaison avec les avantages de la dimension des cristaux nano-céramiques, pour permettre à l'énergie appliquée à une surface de verre d'être dissipée par densification localisée autour d'un pénétrateur, plutôt que par la formation de fissures dans le verre lui-même.

Avec une expertise de base dans la conception et la fabrication de cristaux nano-céramiques de taille inférieure à 20 nm, NANOARC est bien placé pour aider l'industrie du verre à repousser les limites des performances du verre en termes de durabilité chimique et structurelle. Étant dans le domaine du nano-polymorphisme dans le cadre de notre processus de conception de nanomatériaux, nous permettons aux fabricants d'adopter nos produits en toute transparence, sans problèmes de compatibilité chimique.