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Pourquoi les alliages vieillissent plus vite que prévu ?

Industrie et  Technologies
Des chercheurs du CEMES/CNRS apportent un début d'explication à l'arrêt ou à la rupture brusque de certains composants, tant électroniques de mécaniques. Ils mettent en avant des défauts de la matière qui accélèrent le vieillissement des alliages.


Qui n'a pas été surpris par l'arrêt brusque d'un composant électronique ou la rupture d'une pièce mécanique qui semblait saine ? Une problématique sur laquelle s'est penchée une équipe internationale de chercheurs emmenée par Marc Legros, du CEMES-CNRS à Toulouse.

On soupçonnait depuis une cinquantaine d'années les inévitables défauts internes de la matière les composant, d'être à l'origine de son vieillissement accéléré et des ruptures anticipées. Mais rien n'avait encore pu être démontré. Les travaux de cette équipe ont permis, pour la première fois, de suivre en direct un des processus accélérant le vieillissement des alliages. Leurs résultats démontrent explicitement que la présence de certains défauts dans les alliages provoque une séparation plus rapide que prévue de leurs composés. Cette découverte devrait permettre notamment de mieux prévoir la durée de vie des composants électroniques.

Les chercheurs ont étudié un matériau couramment utilisé en électronique comme connexion métallique dans les microprocesseurs. Constitué d'un film d'aluminium et d'inclusions de nano-particules de silicium, cet alliage est comme une "mayonnaise" (fines gouttelettes d'huile baignant dans de l'eau). Certains défauts de la structure cristalline de l'aluminium créent des canaux microscopiques reliant les nano-particules de silicium les unes aux autres. Cette configuration permet aux atomes de silicium de se déplacer rapidement d'une particule à l'autre. « Ces défauts sont de véritables toboggans à atomes », estime Marc Legros.

La mayonnaise ne tient pas

Au cours du temps, les particules les plus petites fondent et les atomes qui les composent viennent accroître les particules les plus grosses. Alors qu'ils étaient intimement mêlés, le silicium et l'aluminium se séparent, comme le font l'huile et l'eau d'une mayonnaise qui tombe. Ce phénomène dynamique entraîne alors la destruction de l'alliage et de ses propriétés.

C'est la disparition très rapide d'une petite "goutte de silicium" au profit d'une plus grosse que les chercheurs du CEMES-CNRS ont suivie en direct par microscopie électronique à transmission, une première. Ce phénomène est appelé "diffusion à cÅ“ur" (pipe-diffusion en anglais). Alors que les atomes de silicium peuvent se déplacer lentement dans l'aluminium, les chercheurs ont démontré, en réitérant cette expérience à différentes températures, que la présence d'une dislocation cristalline multiplie par mille la vitesse de transfert des atomes de silicium d'une nano-particule à l'autre. Ainsi la "mayonnaise" tombe plus rapidement en présence de défauts. 

 



Observation d'un film d'aluminium à 420°C au microscope électronique à transmission.
La plus petite nano-particule de silicium (P1) se vide anormalement vite à travers la dislocation (d1)
pour venir grossir la nano-particule (P2), jusqu'à disparaître.



Cette étude apporte une pièce au puzzle de la compréhension du vieillissement des alliages. Ces travaux devraient permettre d'améliorer la modélisation de ce phénomène très complexe. En particulier, les chercheurs souhaitent pouvoir maîtriser le vieillissement des interconnexions à base d'aluminium dans les microprocesseurs et mieux appréhender le comportement mécanique d'alliages utilisés, par exemple, dans les moteurs d'avion.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.cemes.fr

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