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Un composé intermétallique (CIM), ou intermétallique, est l'association de métaux ou de métalloïdes entre eux avec une liaison chimique. Le composé existe à une composition précise (composé stœchiométrique) ou dans un domaine de composition (composé non-stœchiométrique) défini et distinct des domaines de solutions solides basés sur les éléments purs. La structure des intermétalliques est généralement ordonnée ce qui veut dire qu'en principe chaque élément occupe des sites particuliers ou possède au moins une préférence pour des sites particuliers. Les différentes propriétés des intermétalliques (chimiques, physiques, mécaniques, cristallographiques etc...) sont en discontinuité avec celles des éléments qui le constituent. C'est cette discontinuité des propriétés ainsi que la discontinuité de la composition qui marque la différence entre les alliages et les composés intermétalliques.

Il faut noter que tous les composés intermétalliques ne respectent pas forcément toutes ces caractéristiques et qu'à l'inverse il y a des objets qui respectent plusieurs de ces caractéristiques mais qu'on ne classifie pas dans les intermétalliques.

Histoire des composés intermétalliques

Expertise des anciens travaux sur les composés intermétalliques

Au début du 19ème siècle, lorsque les premières études ont été faites, de nombreux scientifiques ont remarqué que le comportement de certaines compositions d’alliage étaient similaires à des composés chimiques ordinaires.
En 1839, Karl Karsten réalise la première observation d’un composé intermétallique. À la composition équiatomique d’un alliage de cuivre et de zinc, il remarquait une discontinuité de l’action d’acides et suggérait la formation d’un composé connu aujourd’hui sous le nom de CuZn (β-brass). Durant la deuxième moitié du 19ème siècle, d’autres observations similaires ont été faites avec des changements de comportement dus à des propriétés électriques, mécaniques, magnétiques et chimiques différentes pour certaines stoechiométries.

Etudes de la constitution des intermétalliques

Le métallurgiste allemand Tamman a permis de montrer l’existence des intermétalliques et l'analyse des propriétés. Son travail était destiné à généraliser les ensembles binaires et à étudier la nature des phases intermétalliques pour un large nombre de systèmes.
Auparavant on identifiait un composé intermétallique en faisant des analyses thermiques et des analyses des résidus après attaque chimique. On étudiait également les propriétés physiques comme la masse volumique, la résistivité, la conductivité thermique, la dureté et le pouvoir thermoélectrique.
Kurnakov, un grand métallurgiste russe, contribua à l’approche physico-chimique dans l’analyse des composés par la détermination des diagrammes de phases, facilitant ainsi la compréhension des propriétés des compositions, la nature et la stabilité des intermétalliques.
En 1900, une liste de 30 composés intermétalliques de systèmes binaires fut publiée. En 1906 les composés ternaires CdHgNa et Hg₂KNa ont été répertoriés avant l'observation de composés ternaires, quaternaires (4 éléments) et quinaires (5 éléments).

Anciens travaux théoriques sur les composés intermétalliques

Le métallurgiste britannique Desch a été le premier à résumer les résultats des attentes théoriques pour la compréhension de la constitution des composés intermétalliques. Hume-Rothery a contribué à la connaissance d’un large groupe d’intermétalliques. Une des nouvelles tentatives de systématisation d’intermétalliques a été mené par le chimiste allemand E.Zintl qui propose la distinction des intermétalliques par rapport à la nature des liaisons qui peuvent être, ioniques, covalentes, métalliques ou une combinaison de ces dernières. Dans les années 30, il avait travaillé sur les phases de Zintl qui portent son nom.
Les différents facteurs d’influence de structures basés sur les principes géométriques ont été étudiés par le scientifique allemand F.Laves en 1956.

• Dans le cas des métaux la tendance est à l’obtention de la plus grande coordinence. La meilleure solution pour remplir l’espace est l’arrangement cubique faces centrées ou hexagonal compact. Lorsqu’un métal cristallise, la tendance à avoir une bonne occupation de l’espace est appelée le principe de remplissage de l’espace.
• Certains facteurs agissent contre le principe de remplissage de l’espace comme la température. La coordinence 8 est la deuxième coordination la plus courante chez les métaux et celle qui présente une bonne symétrie. La tendance a établir des configurations avec la plus haute symétrie est appelée principe de symétrie.
• La plus courte distance entre les atomes dans un solide forme la liaison. Elle est dite homogène si elle a lieu entre deux atomes identiques, elle est dite hétérogènes dans le cas contraire. Cette liaison a tendance à former des connexions multi-dimensionnelles respectant ce qu'on appelle le principe de connexion.

Synthèse des composés intermétalliques

La synthèse nécessite un niveau de pureté élevé des échantillons métalliques. Suivant leur conditionnement, un premier traitement est effectué pour préparer ces matières. Il peut s’agir d’enlever les traces d’oxydes ou encore de compacter de la poudre métallique dans le but de faciliter les manipulations à venir.
C’est principalement par fusion que sont obtenus les composés intermétalliques. L’objectif est de porter à fusion un mélange avec les proportions adéquates entre les éléments, et de procéder à un refroidissement puis à un recuit afin d’homogénéiser la structure.
Selon les caractéristiques du matériaux, différentes méthodes de fusion sont utilisées comme le Four à arc, Four à induction et le Four de recuit, ce dernier servant à homogénéiser le composé.
Le procédé par frittage des poudres, qui est une réaction à l'état solide, est une autre procédé de synthèse des composés intermétalliques.

Différentes structures des composés intermétalliques

Structure Cr₃Si

Structure de type Cr3Si (A15) en noir: Si, en bleu: Cr

La structure Cr₃Si ou (β-W) a été découverte par Boren en 1933. Cette structure se présente souvent avec la stœchiométrie A₃B et appartient au groupe d'espace Pm-3m et contient 8 atomes par maille. Les positions des atomes de la structure sont les suivantes:

• 2 atomes B en position: (0,0,0) et (1/2,1/2,1/2)
• 6 atomes A en position: (1/4,0,1/2) ; (1/2,1/4,0) ; (0,1/2,1/4) ; (3/4,0,1/2) ; (1/2,3/4,0) ; (0,1/2,3/4)

Structure CaCu₅

Il s'agit d'une structure hexagonale dont les atomes occupent les positions suivantes :

Structure de type CaCu5, en gris: Cu, en noir Ca

• (A) 1a (0,0,0)
• (B) 2c (2/3,1/3,0) et (1/3,2/3, 0)
• (B) 3g (0,1/2,1/2), (1/2,0,1/2) et (1/2,1/2,1/2).
  

L'élément A peut être une terre rare, un actinide, un alcalin ou encore un alcalino-terreux, tandis que l'élément B est un métal de transition de la série des 3d (Fe, Co, Ni, Cu, Zn), 4d (Rh, Pd, Ag) ou 5d (Ir,Pt, Au).
Il existe une centaine de composés binaires qui cristallisent sous cette forme. Une propriété commune pour la plupart de ces composés est le stockage de l'hydrogène. On peut citer l'exemple du Lanthane-nickel particulièrement performant pour l'absorption d'hydrogène.

Structure des phases de Laves

Les phases de Laves possèdent une stœchiométrie AB₂ et cristallisent dans 3 structures différentes:

• MgCu₂ (cubique)
• MgZn₂ (hexagonale)
• MgNi₂ (hexagonale)

Ces structures correspondent à des empilements compacts pour un rapport R_A/R_B=1.225

Structure MgCu₂

Les atomes B s'arrangent en tétraèdres et chaque tétraèdre est joint par les sommets. Ensuite, les atomes A vont s'organiser dans les espaces libres des tétraèdres et vont former un réseau de type diamant. Il y a donc 8 atomes A et 16 atomes B donc 24 atomes par maille et 8 motifs AB₂ par maille. Le réseau est cubique face centrée et le groupe d'espace de la structure est Fd-3m.

Structure MgZn₂

Structure de type MgZn2 : Mg en vert

Les atomes B s'arrangent en tétraèdres mais les tétraèdres sont cette fois-ci alternativement joint par les sommets et les bases. Le réseau est hexagonal, de paramètre c/a=1.633 et de groupe d'espace P6₃/mmc. Il y a maintenant 4 motifs par maille.

Structure MgNi₂

La structure MgNi₂ est aussi hexagonale comme celle du MgZn₂ mais avec une maille doublée selon l'axe c. Le groupe d'espace reste inchangé:P6₃/mmc mais cependant, le paramètre c/a est doublé et vaut 3.266.

Domaines d'application

Aimants supraconducteurs

Certains intermétalliques possèdent de très bonnes propriétés magnétiques et plus particulièrement des propriétés supraconductrices. Par exemple, c'est le cas du Nb₃Sn et du niobium-titaneniobium-titane car ils deviennent supraconducteurs lorsqu'ils sont refroidis à -270 °C (4 K). Ils sont notamment utilisés dans le projet ITER, qui nécessite plus de 10 000 tonnes de systèmes supraconducteurs afin de générer le champ magnétique qui va créer, confiner et modeler le plasma à l'intérieur du tokamak. Le niobium-étain est utilisé pour les bobines de champ toroïdal et pour le solénoïde central et le niobium-titane est, lui, utilisé pour les bobines de champ poloïdal

Autre application du Nb₃Sn: l'amélioration du LHC, aussi appelée LHC à haute luminosité (HL-LHC), prévoit d'atteindre des luminosités instantanées cinq fois supérieures à celles obtenues actuellement grâce à l'utilisation de champs magnétiques allant jusqu'à 12 T. Pour cela, il faut développer des aimants supraconducteurs capables de générer des champs magnétiques de plus de 10 T. C'est donc l’élément niobium-étain qui a été choisi au détriment du niobium-titane car il génère des champs magnétiques inférieurs à 10 T. On utilise des câbles de Nb₃Sn pour les bobines des aimants du HL-LHC, il faut cependant former ces câbles avec des filaments en Nb₃Sn et les enrouler en bobines. Au final, on obtient un câble de forme trapézoïdale, ce qui lui donne une densité de courant élevée.

Stockage hydrogène

Alternative aux ressources fossiles, l’hydrogène apparaît comme un vecteur énergétique d’avenir. Une partie des composés intermétalliques intervient dans cette filière, en particulier dans le stockage par voie solide.
3 types de CIMs conviennent pour ce procédé. Il s’agit de composés stœchiométriques définis divisés comme suit :

• Les types AB
• Les phases de Laves de type AB₂
• Les phases de Haucke de type AB₅ comme le composé LaNi5

Dans le cas des phases de Haucke, l’hydrogène se localise dans les sites tétraédriques.

Orthopédie

Certains intermétalliques, par exemple TiNi et CuZn, possèdent une propriété spécifique appelée la mémoire de forme. La mémoire de forme correspond à la capacité d'un matériau à retrouver son état initial après avoir subit une déformation, ainsi que celle d’alterner entre deux formes préalablement mémorisées lorsque sa température varie autour d'une température critique. Cette transformation réversible est connue sous le nom de transformation martensitique. Ces matériaux ont un grand potentiel en tant que biomatériaux dans les applications orthopédiques en raison de leurs effets de mémoire de forme.

Lames de revêtement

Certains intermétalliques, par exemple Ni₃Al, possèdent de haute résistance mécanique à haute température grâce à la structure cristalline ordonnée. La structure ordonnée présente des propriétés supérieures à température élevée en raison de la surstructure ordonnée à longue distance, qui réduit la mobilité de dislocations et les processus de diffusion à des températures élevées. Cette propriété le rend idéal pour des applications spéciales comme les lames de revêtement dans les turbines à gaz et les moteurs à réaction.