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Accueil > Équipes > HP-HT > O.R. « Elaboration et transformations structurales sous conditions extrêmes » > Synthèse Haute Pression, Structures, et Propriétés de Nouvelles Phases Ultradures dans le Système B-C-N-O-X

Synthèse Haute Pression, Structures, et Propriétés de Nouvelles Phases Ultradures dans le Système B-C-N-O-X

par Dominique Vrel - publié le , mis à jour le

La demande croissante pour des matériaux avancés ultradurs a stimulé la recherche pour de nouvelles phases hautes pressions qui sont plus stables thermiquement et chimiquement que le diamant est plus dures que le nitrure de bore cubique (cBN). À la suite de la découverte des phases apparentées au diamant BC2N et BCN, un nombre de nouvelles phases ultradures ont été récemment synthétisées.

La nouvelle forme haute pression du bore élémentaire γ-B28 orthorhombique a été synthétisée à partir de β-B106 dans la gamme de pression allant de 12 à 20 GPa et à des températures au-delà de 1800 K. Les paramètres de maille résultant d’un raffinement de Le Bail sont a = 5.056(1) Å, b = 5.641(1) Å, c = 6.995(1) Å et Rwp = 2.46 %. γ-B28 est la forme la moins compressible du bore élémentaire (B0 = 237 GPa) et à une dureté Vickers de 50 GPa, ce qui est plus élevé que la dureté des autres polymorphes du bore.

Une nouvelle phase haute pression de BC5, apparentée au diamant (d-BC5), a été synthétisée par transformation de solutions solides graphitiques B-C à des pressions supérieures à 20 GPa et des températures de l’ordre de 2200K. Le paramètre de maille du d-BC5 en conditions ambiantes est de a = 3.635(8) Å, ce qui est légèrement supérieur à celui du diamant. Selon les données obtenues par TEM-SAED, les atomes de bore et de carbone sont distribués de manière homogène dans la maille sans former de superstructure. À haute température, d-BC5 montre une claire tendance à ségréger en carbone de carbure de bore, mais il présente à pression ambiante une bien meilleure stabilité thermique (jusqu’à 1900K) que du diamant nanocristallin de même granulométrie. Parmi les phases ultradures, le module d’élasticité du d-BC5 (B0 = 335 GPa) n’est dépassé que par le module d’élasticité du diamant et du nitrure de bore cubique. Des échantillons millimétriques de frittés synthétisés dans une presse multi-enclumes sont semi-conducteurs est présentent une dureté extrême (Hv = 71 GPa), comparable à celle du diamant monocristallin, ainsi qu’une forte ténacité (KIC = 9.5 MPа m0.5).

Cellule d’enclumes de diamant (a) et cellule multi-enclume (b) utilisées pour la synthèse de c-BC5, combinant haute stabilité thermique et conductivité électrique. En microscopie électronique à transmission (c), le matériau apparaît nano-structuré. Sa structure peut être obtenue par substitution d’atomes de carbone dans le réseau cristallin du diamant par des atomes de bore (d). La haute dureté Vickers (e) est comparable à celle du diamant polycristallin commercial.


Un nouveau sous-nitrure de bore, le B13N2 rhomboédrique a été synthétisé par la cristallisation à partir du liquide d’un mélange B-BN à 5 GPa. La structure du B13N2 appartient au groupe d’espace R-3m (a = 5.4585(8) Å, c = 12.253(2) Å) et représente un nouveau type structurel produit par des icosaèdres B12 distordus liés entre eux par des chaînes N-B-N et des ponts inter-icosaèdres B-B. B13N2 possède un module d’élasticité de 200 GPa et est escompté comme étant ultradur avec une dureté Vickers de 40 GPa. L’interaction chimique et les relations entre phases dans le système B-BN ont été étudiées in situ à 5 GPa et jusqu’à 2800K en utilisant la diffraction de rayons X, produits par rayonnement synchrotron, qui permet la construction de diagrammes de phase métastable et à l’équilibre. Seul sous nitrure de bore thermodynamiquement stable, B13N2, fond de manière non congruente à 2600K et forme un équilibre eutectique avec le bore à 2300K et 4 at% d’azote.

Un nanocomposite ultradur de nitrure de bore agrégé (ABNNC) avec une dureté maximale de 85 (5) GPa a été synthétisé par transformation de phases à l’état solide de nitrure de port pyrolytique graphitique à 20GPa et environ 1900 K. Une diminution de la taille des grains à 14 nm et la formation simultanée de structures formées de deux phases denses de BN, hexagonale (wBN) et cubique (cBN) ayant des tailles de grains nanométriques et sous-nanométriques résultent en une énorme amélioration des propriétés mécaniques. Le doublement de la dureté des ABNNC par rapport au cBN polycristallin (Hv 40 GPa) peut s’expliquer comme le résultat d’une combinaison unique de deux facteurs, c’est-à-dire (i) l’effet nanométrique, qui restreint la propagation des dislocations dans le matériau, et (ii) la composition bi-phasique à l’échelle nanométrique et sous nanométrique qui, dû au confinement quantique doit accroître la dureté des cristallites individuels. Ainsi, l’ABNNC est le premier matériau massif non basé sur le carbone à présenter une dureté approchant celle du diamant monocristallin. L’ABBNC présente également une valeur de ténacité (KIc = 15 MPa m0.5) et une résistance à l’abrasion (WH = 11) inhabituellement élevées pour les matériaux ultradurs, en faisant un super abrasif prometteur. Cependant, la faible stabilité thermique de w-BN est à l’origine d’une relativement faible stabilité thermique de l’ensemble du matériau.