Augmenter la résistance du verre à l’aide de microgravures

François Barthelat, professeur en génie mécanique à l’université McGill de Montréal (Québec), souligne : « Nous ne sommes pourtant pas des spécialistes du verre ». En effet, celui qui vient de signer avec son équipe une publication dans la revue Nature Communications, explique comment ils ont réussi à augmenter de 200 fois la résistance à la fracture d’un verre borosilicate épais de 150 microns.

Une performance prometteuse, car il est rare de pouvoir concilier au sein d’un même matériau les résistances à la déformation et à la fracture. Chose que savent pourtant bien faire, dans la nature, la nacre des coquillages, les os, ou encore l’émail des dents. « La résistance à la fracture de la nacre est 3 000 fois supérieure à celle du matériau principal qui la compose, le carbonate de calcium (CaCO3) », fait remarquer François Barthelat.
Pourquoi une telle résistance ? Après l’avoir étudiée dans son intimité, les chercheurs évoquent deux principes pour l’expliquer. Le premier veut que les fissures qui se créent au cœur du matériau lors d’un choc ne se propagent pas de façons aléatoires, mais se retrouvent guidées. « Un peu comme la découpe crénelée des timbres guide la déchirure que vous initiez », explique François Barthelat. Second principe : l’énergie reçue lors du choc se dissipe par des frottements générés sur des interfaces intrinsèques au matériau. La nacre est, ainsi, un assemblage déformable de tablettes minérales.

Résistance à la fracture jusqu’à 600 J/m 2

Comment recréer ces conditions de guidage et de dissipation sans passer par une reproduction pièce par pièce, donc molécule par molécule, du modèle naturel ? C’est là la trouvaille de l’équipe canadienne.
À l’aide d’un laser, ils ont réalisé des microgravures dans les trois dimensions au sein du verre. En affaiblissant la résistance du verre selon un plan et avec un angle défini, ils ont pu montrer la possibilité de guider une fracture (cf. figure A). Il faut atteindre un angle ? supérieur à 70° pour que la fracture se propage à nouveau tout droit. Avec le même laser, ils ont réalisé des formes que l’on peut apparenter à des ergots de pièces de puzzle toujours selon un plan (cf. figure B). Résultat : la résistance à la fracture, mesurée par traction sur les deux extrémités d’une éprouvette, passe de 3 J/m ² à 200 J/m ² . « Dans la nacre, entre les plaquettes minérales qui la composent comme un mur de brique, il y a aussi des protéines qui jouent le rôle de ligament », explique le chercheur. D’où l’idée de combler les gravures par du polyuréthanne en le faisant pénétrer par capillarité. Et là encore, la résistance à la fracture a crû. Cette fois jusqu’à 600 J/m ² , soit deux cents fois la valeur du verre brut. « L’un des intérêts du polyuréthanne, dans le cas du verre, est que l’on peut obtenir un indice de réfraction identique, et donc le rendre invisible, continue le chercheur. Notez que ce qui est intéressant avec la résistance à la fracture, c’est qu’il n’y a pas de limite. Si l’on combine plusieurs mécanismes, différentes techniques de fabrication et des matériaux d’ingénierie telles les céramiques, on doit pouvoir générer des synergies. L’objectif est de réussir à dépasser pour un matériau le ratio des 3 000 entre la résistance de la nacre et celle du minéral qui la constitue. »
Les études se poursuivent actuellement sur des verres non-plans, ainsi que sur des céramiques (car c’est là la spécialité de l’équipe de François Barthelat). « Mais on peut aussi imaginer que sur les mêmes principes, on puisse augmenter la résistance des bétons en faisant en sorte de guider les fissures loin des fers »,conclut-il.