Guide complet des métaux amorphes

1. Introduction aux métaux amorphes

Lesmétaux amorphes, également connus sous le nom de verres métalliques, constituent une classe unique de matériaux caractérisés par leur structure atomique désordonnée. Contrairement aux métaux cristallins, qui présentent un arrangement atomique régulier et répétitif, les métaux amorphes sont dépourvus de cet ordre, ce qui leur confère des propriétés distinctes. Cette absence de cristallinité confère une combinaison de solidité, d'élasticité et de résistance à la corrosion élevées, ce qui rend ces matériaux hautement souhaitables pour diverses applications avancées.

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2. Méthodes de production

Les métaux amorphes sont généralement produits par des processus de refroidissement rapide, qui empêchent les atomes de s'organiser en une structure cristalline. Les méthodes les plus courantes sont les suivantes

• Le filage de la matière fondue : Le métal en fusion est rapidement refroidi sur une roue rotative, formant de minces rubans. Cette méthode est largement utilisée pour produire des bandes de métal amorphe pour les transformateurs et autres applications magnétiques.
• Splat Quenching: une gouttelette de métal en fusion est rapidement refroidie entre deux surfaces froides, formant de minces disques plats de métal amorphe. Cette méthode est utilisée en laboratoire pour l'analyse rapide des matériaux et la production à petite échelle.

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• PVD (Physical Vapor Deposition) : Des atomes de métal sont déposés sur un substrat dans un environnement sous vide, ce qui permet la formation contrôlée de films amorphes. Cette technique est couramment utilisée dans l'industrie électronique pour créer des films minces présentant des propriétés magnétiques ou optiques spécifiques.

3. Propriétés et applications

Les métaux amorphes possèdent des propriétés uniques, notamment une grande solidité, une grande élasticité et une grande résistance à la corrosion :

• Haute résistance : Les métaux amorphes ont souvent une résistance à la traction supérieure à celle de leurs homologues cristallins en raison de l'absence de joints de grains. Par exemple, les alliages de verre métallique comme le Vitreloy 1 présentent une résistance à la traction allant jusqu'à 1,9 GPa, ce qui est nettement supérieur à celle de l'acier traditionnel.
• Élasticité : Ces métaux peuvent subir des déformations élastiques importantes, ce qui leur confère une grande résilience. Les métaux amorphes peuvent subir des déformations élastiques allant jusqu'à 2 % par rapport aux métaux cristallins, qui présentent généralement une déformation élastique d'environ 0,2 %.
• Résistance à la corrosion : L'absence de joints de grains et la structure homogène des métaux amorphes leur confèrent une excellente résistance à la corrosion. Par exemple, les verres métalliques à base de Zr ont montré une résistance supérieure à la corrosion dans les environnements salins, ce qui les rend idéaux pour les applications marines.
• Propriétés magnétiques : Certains métaux amorphes présentent des propriétés magnétiques douces, ce qui les rend utiles pour les noyaux de transformateurs et le blindage magnétique. Par exemple, les alliages à base de fer amorphe ont une coercivité et une perte de noyau inférieures à celles du fer cristallin, ce qui améliore l'efficacité énergétique des transformateurs.
• Résistance électrique : Une résistance électrique élevée est une autre caractéristique notable, qui peut être utile dans des applications spécifiques telles que les résistances et les capteurs magnétiques.

Les métaux amorphes trouvent des applications dans diverses industries grâce à leurs propriétés uniques :

• L'électronique : Ils sont utilisés dans les noyaux de transformateurs et les inducteurs, en particulier dans les applications à haute fréquence où une faible perte d'énergie est essentielle. Par exemple, les noyaux en métal amorphe peuvent réduire les pertes d'énergie jusqu'à 70 % par rapport aux noyaux traditionnels en acier au silicium.
• Appareils biomédicaux : Leur biocompatibilité et leur résistance à la corrosion les rendent appropriés pour les implants médicaux et les outils chirurgicaux. Les verres métalliques à base de Zr sont particulièrement utilisés dans les stents et les implants orthopédiques.
• Articles de sport : Ils sont utilisés dans les équipements sportifs de haute performance, tels que les clubs de golf et les raquettes de tennis, pour leur résistance et leur élasticité. L'élasticité du verre métallique permet un meilleur transfert d'énergie, ce qui améliore les performances de l'équipement.
• Défense et aérospatiale : Utilisé dans les armures légères et les composants structurels qui nécessitent un rapport résistance/poids élevé. Les revêtements métalliques amorphes sont également utilisés pour protéger les composants aérospatiaux de l'usure et de la corrosion.
• Électronique grand public : Utilisés dans les boîtiers et les composants structurels en raison de leur durabilité et de leur résistance aux rayures. L'Apple Watch, par exemple, utilise un alliage de verre métallique pour son boîtier en raison de sa solidité et de sa finition lisse.

4. Défis et développements

Cependant, les métaux amorphes sont confrontés à plusieurs défis qui ont limité leur adoption et leurs applications à grande échelle. Parmi les principaux obstacles figurent les coûts de production, les limitations de taille et la fragilité, chacun posant des problèmes importants dans des contextes différents.

Le premier défi est le coût de production élevé. Le processus de refroidissement rapide du métal en fusion pour éviter la cristallisation nécessite un équipement spécialisé et un contrôle précis, ce qui rend le processus de fabrication à la fois complexe et coûteux. Ce besoin de refroidissement rapide nécessite souvent l'utilisation de machines avancées et coûteuses, ce qui limite la capacité à produire des métaux amorphes à grande échelle. Par conséquent, leur utilisation a été largement limitée à des applications de grande valeur où les avantages l'emportent sur les coûts de production.

Une autre limite importante est la difficulté de produire des composants métalliques amorphes de grande taille et en vrac. Le refroidissement rapide, essentiel au maintien de la structure amorphe, devient de plus en plus difficile à mesure que la taille du composant augmente. Par conséquent, la plupart des métaux amorphes ne sont actuellement disponibles que sous de petites formes telles que des rubans, des fils ou des feuilles minces. Cette limitation a restreint leur application à des articles de petite taille et à des marchés de niche.

De plus, la fragilité reste une préoccupation majeure, en particulier dans les applications structurelles où les matériaux doivent résister à des contraintes et à des déformations importantes. Bien que les métaux amorphes soient réputés pour leur résistance, l'absence de structure cristalline peut les rendre fragiles, c'est-à-dire susceptibles de se fracturer dans certaines conditions. Cette fragilité est particulièrement problématique dans les applications nécessitant des matériaux capables d'absorber des chocs ou de subir des déformations sans se rompre.

En réponse à ces défis, des progrès significatifs ont été réalisés dans le domaine des métaux amorphes :

• Lesverres métalliques en vrac (BMG): Développement de composants métalliques amorphes de plus grande taille pour une utilisation industrielle. Par exemple, les BMG ont été développés avec une ductilité améliorée, ce qui les rend plus adaptés aux applications structurelles dans les industries automobile et aérospatiale.

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• Alliages avancés : Création de nouvelles compositions qui améliorent les propriétés des métaux amorphes, comme une meilleure ductilité ou une plus grande résistance à la corrosion. Les verres métalliques à base de Pd et de Cu se distinguent par leurs propriétés mécaniques améliorées.
• Fabrication additive : Exploration de l'utilisation des techniques d'impression 3D pour produire des structures métalliques amorphes complexes. Cette approche pourrait révolutionner la production de composants personnalisés dotés de propriétés supérieures, tels que les implants dentaires et les pièces aérospatiales complexes.

5. Métaux amorphes et verres métalliques

Les termes "métaux amorphes" et "verres métalliques" sont souvent utilisés de manière interchangeable. Ils désignent la même catégorie de matériaux. Cependant, il existe des distinctions subtiles dans la façon dont ces termes sont utilisés, qu'il peut être important de comprendre.

--Métaux amorphes

Lesmétaux amorphes sont des métaux dont la structure atomique est désordonnée, sans le modèle régulier et répétitif que l'on trouve dans les métaux cristallins. Cette structure désordonnée est obtenue en refroidissant rapidement le métal en fusion, ce qui empêche les atomes de s'organiser en un réseau cristallin.

Le terme "métal amorphe" met l'accent sur le désordre atomique du métal et est souvent utilisé pour parler d'une catégorie plus large, comprenant diverses méthodes de fabrication et applications.

--Verres métalliques

Les verres métalliques sont un sous-ensemble de métaux amorphes qui présentent spécifiquement une structure semblable à celle du verre. Ce terme met en évidence l'état non cristallin et "vitreux" du matériau, qui est similaire à celui des verres conventionnels comme le verre de silice, mais fabriqué à partir d'alliages métalliques.

Le terme "verre métallique" est fréquemment utilisé dans des contextes scientifiques et académiques, en particulier lorsqu'il s'agit de discuter des propriétés physiques et mécaniques liées à l'état vitreux, telles que la fragilité et le comportement élastique.

En résumé, si les "métaux amorphes" et les "verres métalliques" désignent le même type général de matériau, le premier terme est plus large et plus couramment utilisé dans les contextes industriels, tandis que le second est plus spécifique et souvent utilisé dans la recherche scientifique pour décrire les caractéristiques vitreuses de ces matériaux. Comprendre ces distinctions peut aider à communiquer avec précision les propriétés et les applications potentielles du matériau.

6. Conclusion

Lesmétaux amorphes, avec leur structure atomique désordonnée unique, représentent une avancée significative dans la science des matériaux. Leur combinaison de grande solidité, d'élasticité et de résistance à la corrosion les distingue des métaux cristallins traditionnels, ce qui les rend indispensables dans l'électronique, les appareils biomédicaux, la défense et l'aérospatiale.

Malgré les défis posés par les coûts de production élevés, les limitations de taille et la fragilité, la recherche et l'innovation en cours continuent de repousser les limites de ce qu'il est possible de faire avec ces matériaux remarquables. Alors que les industries recherchent des matériaux capables de répondre aux exigences de la technologie moderne et de l'innovation, les métaux amorphes sont prêts à façonner l'avenir des applications à haute performance. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Références :

[1] UCLA News (2021, 31 mars). Century-old problem solved with first-ever 3D atomic imaging of an amorphous solid. Récupéré le 20 août 2024 sur https://newsroom.ucla.edu/releases/first-ever-3d-atomic-imaging-amorphous-solid

[2] Y.C. Xin, P.K. Chu, 11 - Plasma immersion ion implantation (PIII) of light alloys, Editor(s) : Hanshan Dong, In Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering, Surface Engineering of Light Alloys, Woodhead Publishing, 2010, Pages 362-397, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845695378500117

[3] Université de Vienne (2024, 20 août). Structural inhomogeneities in bulk metallic glasses (Inhomogénéités structurelles dans les verres métalliques en vrac). Consulté le 20 août 2024 sur https://sounds-of-matter.univie.ac.at/research-projects/metallic-glass/