Une collaboration nationale dirigée par des chercheurs du Center for Autonomous Materials Design de l'Université Duke s'efforce de synthétiser des matériaux bon marché suffisamment durs pour littéralement remuer deux pièces d'acier avec peu d'usure.

Financée par une subvention de 7.5 millions de dollars sur cinq ans dans le cadre du concours de l'Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) du ministère de la Défense, l'équipe développera également une suite d'outils de matériaux d'IA capables de concevoir à la demande des matériaux similaires avec des propriétés adaptées à une large gamme d'applications.

La classe des matériaux dits «à haute entropie» tire une stabilité améliorée d'un mélange chaotique d'atomes plutôt que de se fier uniquement à la structure atomique ordonnée des matériaux conventionnels. Après avoir démontré pour la première fois cette approche avec des carbures en 2018, les chercheurs chercheront maintenant à ajouter des borures dans les structures auto-organisées irrégulières pour produire certains des matériaux les plus durs jamais fabriqués.

Le projet MURI comprend des chercheurs de la Pennsylvania State University, de la North Carolina State University, de la Missouri University of Science and Technology et de l'Université de Buffalo.

«Nous avons déjà développé les machines de calcul nécessaires pour nous dire quand ce phénomène produira ces matériaux stables et super durs», a déclaré Stefano Curtarolo, professeur de génie mécanique et de science des matériaux chez Duke et responsable du nouveau prix MURI, son deuxième au cours des huit dernières années. «Notre objectif est maintenant de développer les procédures de 'cuisson' nécessaires ainsi que des outils de matériaux IA capables d'automatiser la découverte de nouvelles recettes pour répondre à différents besoins.

Bien que les matériaux à haute entropie puissent être utiles pour de nombreuses applications, l'une des priorités en tête de la liste du ministère de la Défense est appelée soudage par friction-malaxage. Inventée au début des années 1990, la technique utilise des mèches semblables à des forets pour joindre deux pièces de métal sans les faire fondre.

Lorsque les mèches tournent, elles chauffent et ramollissent le métal, permettant au matériau environnant de tourbillonner et de se mélanger lorsque la machine se déplace le long d'une ligne. Parce qu'aucun métal n'est chauffé à son point de fusion, le soudage par friction-malaxage produit un joint extrêmement solide et durable avec peu de défauts. La technique peut être utilisée sur une large gamme de matériaux et même sur plusieurs types de métaux à la fois.

Mais il lutte avec l'acier.

Pour qu'une pointe de soudage par friction malaxage réalise un joint réussi entre deux pièces d'acier, il doit être incroyablement difficile d'éviter de s'user trop vite, thermiquement stable pour résister aux températures élevées, chimiquement inerte pour ne pas polluer la soudure et suffisamment peu coûteuse pour produire en série. Le diamant est assez dur pour le travail, mais il jette des atomes de carbone pendant le processus, ce qui rend la soudure fragile. Le nitrure de bore cubique polycristallin - le matériau de choix actuel - s'use trop rapidement pour son coût de fabrication.

«Si le bon matériau pouvait faire du soudage par friction-malaxage un choix viable pour les grands projets impliquant de l'acier, cela pourrait révolutionner la construction de navires et d'autres équipements de défense», a déclaré Curtarolo. «Et nous avons l'idée du matériau parfait pour le travail.»

Le matériau que Curtarolo et ses collègues ont en tête est une combinaison de carbone, de bore, d'azote et de cinq autres éléments métalliques bon marché, tous stabilisés par une entropie chaotique.

Lorsque les élèves découvrent les structures moléculaires, on leur montre des cristaux comme le sel, qui ressemble à un damier 3D. Ces matériaux gagnent en stabilité et en résistance grâce à des liaisons atomiques régulières et ordonnées où les atomes s'emboîtent comme des pièces d'un puzzle.

Les imperfections dans une structure cristalline, cependant, peuvent souvent ajouter de la résistance à un matériau. Si des fissures commencent à se propager le long d'une ligne de liaisons moléculaires, par exemple, un groupe de structures mal alignées peut l'arrêter. Le durcissement des métaux solides avec une quantité parfaite de désordre est obtenu grâce à un processus de chauffage et de trempe appelé recuit.

Les matériaux à haute entropie font passer cette idée au niveau supérieur. Abandonnant la dépendance aux structures cristallines et aux liaisons pour leur stabilité, ces matériaux reposent sur le désordre à plusieurs échelles de longueur pour améliorer la stabilité. Bien qu'une pile de balles de baseball ne résiste pas d'elle-même, une pile de balles de baseball, de chaussures, de battes, de chapeaux et de gants pourrait bien soutenir un joueur de baseball au repos.

En 2018, Curtarolo, Cormac Toher, professeur adjoint de recherche en génie mécanique et science des matériaux chez Duke, et leur équipe ont montré que cette approche peut fonctionner avec des carbures lorsqu'ils ont produit une poignée de recettes qui se sont révélées extrêmement dures et tolérantes à la chaleur. Ils ont également travaillé pour produire des matériaux à base de bore similaires et se rapprochent déjà de la dureté de la norme de l'industrie. Selon Curtarolo, la clé pour résoudre le problème du soudage par friction-malaxage consiste à combiner les deux dans un labyrinthe imbriqué de type Tetris de carbures et de borures à haute entropie.

«Les carbures ne se mélangent généralement pas aux borures, mais si nous pouvons les amener à former des grains imbriqués, nous pouvons fabriquer quelque chose qui est plus dur que les deux», a déclaré Curtarolo. «C'est le truc.»

Cependant, avec une longue liste d'ingrédients potentiels et une liste tout aussi longue de méthodes potentielles pour les cuire, il sera hors de question de découvrir la combinaison parfaite par essais et erreurs. Au lieu de cela, l'équipe se tourne vers la modélisation informatique et l'apprentissage automatique.

L'équipe de Curtarolo sait déjà comment modéliser et prédire la formation de carbures à haute entropie, et ils sont sur le point de déterminer les borures à haute entropie. Pour obtenir de l'aide sur ce front, Curtarolo se tourne vers William Fahrenholtz, éminent professeur de génie céramique au Missouri S&T et expert des borures et autres matériaux à haute température.

Avec une maîtrise plus ferme des borures à haute entropie, le groupe peut générer de grandes quantités de données sur leurs recettes potentielles et les remettre à Eva Zurek, professeur de chimie à l'Université de Buffalo, et chimiste experte en calcul et théorique, qui développera l'IA. algorithmes pour se concentrer plus rapidement sur les concoctions cibles. Donald Brenner, chef de département et professeur distingué de science et génie des matériaux à NC State, s'ajoutera à ces algorithmes en étudiant comment les régions de compression et de tension seront affectées par les différentes propriétés des carbures et des borures.

Tester leurs concoctions nécessitera un équipement spécialisé qui peut prendre des poudres élémentaires, les chauffer à plusieurs milliers de degrés sous haute pression (sans les faire fondre) pendant des jours, puis les laisser refroidir lentement. La supervision et la caractérisation de la formation de ces structures seront assurées par les professeurs de Penn State en science et ingénierie des matériaux Jon-Paul Maria et Douglas Wolfe, ce dernier étant également chef du département de traitement des métaux, de la céramique et des revêtements à Penn State's Applied Laboratoire de recherche.

En fin de compte, Curtarolo et son équipe espèrent non seulement avoir produit un acier au carbure-borure super dur, à haute entropie, capable de souder par friction malaxage de l'acier, mais aussi avoir mis au point un système pour concevoir des matériaux similaires pour répondre à d'autres besoins. ainsi que.

"Nous savons que les pièces fonctionnent, il suffit de les assembler", a déclaré Curtarolo. «Une fois que nous avons les borures à haute entropie ainsi que les carbures, nous pouvons les emballer ensemble dans un sandwich ultra-dur. Ça va être meurtrier.

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