Concevoir des métaux de nouvelle génération, un atome à la fois

Comment l’étude de la fabrication des métaux peut-elle conduire à des batteries plus durables et à des véhicules plus légers ? Tout se résume à la physique.

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) étudient les effets des forces physiques sur les métaux en examinant directement les changements au niveau atomique des métaux subissant une déformation par cisaillement.

Les forces appliquées lors de la déformation par cisaillement pour modifier la forme d’un métal réarrangent également ses atomes, mais pas de la même manière pour chaque métal ou alliage. L’arrangement atomique peut affecter les propriétés du métal telles que la résistance, la formabilité et la conductivité. Par conséquent, une meilleure compréhension de la façon dont les atomes se déplacent pendant le cisaillement est un élément clé des efforts continus pour concevoir sur mesure des métaux de nouvelle génération avec des propriétés spécifiques de l’atome vers le haut.

Ces visualisations constituent la base pour comprendre comment la déformation par cisaillement crée les caractéristiques améliorées observées dans les métaux produits à l’aide du traitement et de l’extrusion assistés par cisaillement (ShAPE^MT), une innovation PNNL dans la métallurgie. Pendant le ShAPE^MT fabrication, les métaux sont traités à l’aide de forces de cisaillement pour produire des alliages métalliques à haute performance destinés à être utilisés dans les véhicules et d’autres applications.

« Si nous comprenons ce qui arrive aux métaux au niveau atomique pendant la déformation par cisaillement, nous pouvons utiliser ces connaissances pour améliorer d’innombrables autres applications où les métaux subissent ces mêmes forces, de l’amélioration de la durée de vie de la batterie à la conception de métaux avec des propriétés spécifiques, comme des alliages plus légers et plus solides pour des véhicules plus efficaces », a déclaré Chongmin Wang, chercheur au laboratoire PNNL et chef de l’équipe de recherche qui étudie les forces de déformation induite par cisaillement.

Mystères atomiques

Les forces physiques sont universelles. Les forces qui sont délibérément appliquées lors de la fabrication des métaux pour créer des alliages sont les mêmes forces qui peuvent endommager les structures à l’intérieur des batteries et provoquer une défaillance éventuelle. Les chercheurs savent également que la déformation par cisaillement peut modifier fondamentalement la microstructure des métaux de manière à améliorer réellement le matériau, en rendant les métaux plus solides, plus légers et plus flexibles. Mais comment cela se produit est encore un mystère.

« Si vous deviez prendre une photo d’un coureur de piste au début et à la fin de sa course, vous pourriez penser qu’il n’a pas bougé du tout », a expliqué Arun Devaraj, scientifique des matériaux au PNNL. « Mais si vous filmez le coureur pendant qu’il fait le tour de la piste, vous saurez exactement quelle distance il a parcourue. C’est pareil ici. Si nous comprenons exactement ce qui arrive aux métaux au niveau atomique lors de la déformation par cisaillement, nous pourrions appliquer ces connaissances de manière stratégique pour concevoir des matériaux aux propriétés spécifiques.

L’étalon-or

Pour observer comment la déformation par cisaillement réorganise les atomes métalliques, les chercheurs ont utilisé une sonde spécialisée à l’intérieur d’un microscope électronique à transmission au PNNL, qui compte parmi les rares laboratoires dotés de cette capacité dans le monde. L’équipe de recherche a utilisé le microscope pour enregistrer comment les rangées individuelles d’atomes dans les métaux se déplaçaient pendant la déformation par cisaillement. Ils ont commencé par regarder l’or, l’étalon parce qu’il est le plus facile à visualiser au niveau atomique.

Lorsque les chercheurs ont observé l’or subir un cisaillement, ils ont vu que les cristaux d’or étaient divisés en grains plus petits. Ils ont remarqué que les défauts naturels dans l’arrangement des atomes d’or modifiaient la façon dont la déformation par cisaillement déplaçait les atomes. Il s’agit d’informations utiles car les défauts sont courants dans les métaux lors de la déformation, mais ne se comportent pas de la même manière dans tous les métaux, ce qui peut affecter directement les propriétés du métal.

« Les défauts de cristal, de taille de grain et de microstructure d’un métal peuvent affecter les caractéristiques du métal, comme la résistance et la ténacité. C’est pourquoi il est important de comprendre comment la déformation par cisaillement déplace les atomes métalliques et affecte la microstructure globale du métal », a déclaré Shuang Li, postdoctorant au PNNL et premier auteur de trois études partageant ces résultats.

Les chercheurs du PNNL ont également examiné de plus près comment les atomes d’un cristal d’or imparfait – un cristal avec des défauts existants dans sa structure atomique – étaient réarrangés lors de la déformation par cisaillement. Les défauts existants dans la structure atomique ont modifié la façon dont les atomes se déplaçaient, entraînant différentes structures pouvant donner différentes propriétés matérielles. (Animation par Sara Levine | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique)

Ensuite, l’équipe de recherche s’est penchée sur le cuivre. Ils ont observé comment la déformation par cisaillement crée des nanojumeaux, des caractéristiques structurelles qui renforcent les métaux. En observant un alliage de cuivre et de niobium, ils ont découvert que la déformation par cisaillement affecte différemment les atomes à l’intérieur des phases de cuivre et de niobium du mélange métallique. Il s’agit d’un aperçu précieux qui peut éclairer la façon de fabriquer des alliages avec des propriétés spécifiques en utilisant la déformation par cisaillement. Les informations obtenues en étudiant comment ces forces affectent les métaux pendant les processus de fabrication contrôlés peuvent être directement traduites et appliquées partout où le métal subit les mêmes forces physiques. Par exemple, la capacité de visualisation au niveau atomique du PNNL est également utile pour comprendre comment les matériaux utilisés dans des conditions extrêmes (par exemple, les réacteurs nucléaires) ou les applications d’énergie propre (par exemple, les lignes de transport d’hydrogène et les réservoirs de stockage) répondront aux contraintes externes. Des batteries plus durables, des alliages plus légers pour des véhicules plus efficaces et une conception personnalisée de métaux de nouvelle génération avec une résistance et une conductivité améliorées pourraient être possibles grâce à une meilleure compréhension de la physique atomique de la fabrication des métaux.

Ce travail a été soutenu par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire du PNNL dans le cadre de l’initiative scientifique de traitement en phase solide. Une partie de cette recherche a été effectuée à l’aide des installations de l’EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l’environnement, une installation nationale d’utilisateurs scientifiques parrainée par le Département de l’énergie, Bureau des sciences, programme de recherche biologique et environnementale et située au PNNL. Ces études apparaissent dans trois publications de recherche : Observation MET in-situ de l’évolution de la microstructure induite par le cisaillement dans l’alliage Cu-Nb dans la revue Scripta Materialia, Formation réversible assistée par Nanotwin d’un joint de grain à angle faible lors d’une charge de cisaillement alternative dans le tourillon Acta Materialia, et observation in situ de la déformation associée à la formation de joints de sous-grains dans un monocristal de cuivre sous flexion dans Lettres de recherche sur les matériaux.

Avec l’aimable autorisation du PNNL.

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