WO2009081046A1 - Matériau composite constitué par une matrice métallique dans laquelle sont réparties des nanoparticules phyllosilicatées lamellaires synthétiques - Google Patents

Matériau composite constitué par une matrice métallique dans laquelle sont réparties des nanoparticules phyllosilicatées lamellaires synthétiques Download PDF

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WO2009081046A1
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François Martin
Jean-Pierre Bonino
Pierre Micoud
Jocelyne Ferret
Cédric LEBRE
Vincent Baylac
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Luzenac Europe Sas
Universite Paul Sabatier Toulouse Iii
Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.)
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • C25D15/00—Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C25D15/00—Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
    • C25D15/02—Combined electrolytic and electrophoretic processes with charged materials

Definitions

  • the invention relates to a composite material, its use as a lubricating metal coating, and a method for its preparation.
  • a so-called “electroless” coding process on a substrate is a process of incorporating particles during the process of growth of a catalyzed oxidation-reduction metal or alloy.
  • An electrochemical coding method involves incorporating particles during the process of growing a metal or alloy onto a substrate to be coated from an electrolyte in an electrolysis cell.
  • a PTFE lubricant coating in a nickel-based metal matrix by an "electroless” process from a suspension of PTFE in a nickel precursor solution is known by X. Hu, et al. (Plating and surface fmishing, March 1997). But coatings of this nature are not stable, the PTFE being destroyed at temperatures above 300 ° C.
  • the development of antifriction deposits of NiP incorporating mineral nanoparticles of fullerene-WS 2 by an "electroless” process is described in particular by WX Chen, et al, Advanced Engineering Materials, Vol. 4, No. 9, September 2002].
  • NiP-B 4 C lubricating coatings [Cf. JP Ge, et al., Plating and surface fmishing, October 1998].
  • Ni-1 bnj coatings are described by M. Pushpavanam, et al., [(Metal Finishing, June 1995)] and composite coatings of nickel loaded into MoS 2 are described by Yu-Chi Chang, et al. , [Electrochimica Acta, vol. 43, Issues 3-4, 1998, p. 315-324]. In both cases, the coatings can be obtained electrochemically. However, boron nitrides have very low chemical resistance in acidic and basic medium.
  • WO 2004/063428 describes a composite material comprising a metal matrix in which natural talc particles having an average dimension of less than 15 ⁇ m are distributed and carrying on their surface a compound derived from cellulose, fixed by replacing all or part of the hydroxyl groups, so as to impart hydrophilic properties to the talc (which is naturally strongly hydrophobic), allowing the formation of a suspension without precaution in an aqueous medium forming an electrolyte.
  • the modified natural talc particles are in the general form of flakes having hydrophilic zones located essentially at the level of the peripheral edges of the particles, the main faces of these particles retaining hydrophobic properties. Consequently, during the elaboration of the composite material by electrolytic deposition (chemical or electrochemical), the talc particles spontaneously orient themselves mainly with their main faces extending in directions normal to the surface of the substrate to be coated. This orientation is unfavorable vis-à-vis the desired lubrication properties for which it would be desirable on the contrary that the sheets are oriented mainly parallel to the surface of the substrate.
  • the particle size (fineness and particle size distribution of the powder particles) of a natural talc essentially depends on the mechanical grinding techniques and equipment used. From a natural talc, the powders obtained by mechanical grinding generally have a particle size of the order of a few micrometers to a few hundred micrometers.
  • the finest natural lamellar talc particles that can be obtained have an average size that is always greater than 1 micron, and have a poorly controlled particle size distribution, often polymodal, non-symmetrical, and high dispersion.
  • the composite material includes particles of natural talc of relatively large size, in any case of the same order of magnitude or greater than that of metal grains that form as electroplating progresses. These relatively large talc particles significantly affect the growth of the metal deposition and the oxidation-reduction and / or electrochemical phenomena that occur during deposition.
  • natural talc compositions are not 100% pure. Indeed, there is currently no split solid composition of natural talc that is 100% pure; the particles of natural talc do not all respond to the chemical formula Si 4 Mg 3 O 10 (OH) 2 , which is thus very theoretical.
  • the degree of purity (absence of mineralogical association with other minerals such as calcite, chlorite, pyrite, ...) and the nature of the impurities (contents more or less important in Fe, Al, F, and traces of Mn, Ti, Cr, Ni, Ca, Na and / or K) of a natural talc is a function of the original deposit.
  • the object of the invention is to provide a composite material capable of forming a lubricating metal coating, which exhibits the properties of surface state, homogeneity, hardness and wear resistance conventionally required for mechanical parts. in contact and displacement relative to each other in a mechanical assembly, and lubricating properties stable at high temperatures, for example of the order of 800 0 C, and without requiring a break-in step.
  • the invention aims to provide such a composite material whose mechanical properties are essentially those of the metal matrix that composes it, but with a coefficient of dynamic friction and a coefficient of friction under restrained movements greatly reduced.
  • the invention aims to propose such a composite material in which tribological properties are improved (friction coefficients, wear rate %) but in which the other mechanical properties (strengths, moduli of elasticity, hardness, ...) are preserved, and correspond at least substantially to those of its metallic matrix. This is why the present invention relates to a composite material, its use as a self-lubricating coating of a substrate, and a process for its preparation.
  • the invention therefore relates to a composite material comprising a metal matrix in which lamellar phyllosilicate mineral particles are distributed, characterized in that the lamellar phyllosilicate mineral particles are particles, called synthetic phyllosilicate nanoparticles, synthetic lamellar synthetic silico / germano-metallic minerals. hydrophilic having a mean size of between 10 nm and 1 ⁇ m.
  • the composite material according to the invention consists of a metal matrix in which are distributed synthetic phyllosilicate nanoparticles which are lamellar and hydrophilic.
  • the synthetic phyllosilicate nanoparticles of a composite material according to the invention can be the subject of different variants, since they are hydrophilic lamellar and compatible with its production process.
  • the nanoparticles are in fact embedded in the metallic grains of the metal matrix and do not significantly impair the quality and homogeneity of this metal matrix.
  • the inventors have in particular succeeded in obtaining synthetic phyllosilicate nanoparticles which exhibit these properties, and remain stable up to high temperatures, typically of the order of 700 ° C. to 800 ° C., and which can be obtained with a particle size distribution. monodisperse and unimodal. These synthetic phyllosilicate nanoparticles are therefore particularly suitable for forming a composite material according to the invention suitable for use as a lubricating metal coating.
  • a composite material according to the invention comprises, as nanoparticles synthetic phyllosilicates, nanoparticles, called synthetic silico / germano-metallic nanoparticles, of formula - (Si x Ge 1- ⁇ ) 4 M 3 O 10 (OH) 2 - in which:
  • M denotes at least one divalent metal and having the formula Mgyw C °y (2) Z n ⁇ ) C-Uy (4) Mriy (5) Fe ⁇ N1 ⁇ 7 ; C ⁇ y (8) ; each y (i) being a
  • y (i) refers to the ratio [number of octahedral sites occupied by a metal cation (i) considered] / [total number of octahedral sites].
  • x corresponds to the following ratio: number of tetrahedral sites occupied by the cations Si + total number of tetrahedral sites
  • a first process for the preparation of such synthetic silico / germano-metallic nanoparticles according to the invention is characterized by a hydrothermal treatment of a silico / germano-metallic gel of formula - (Si x Ge I- x ) 4 M 3 On, n H 2 O -, in the liquid state. Preparation of the gel
  • an initial coprecipitate is formed by a reaction between a solution of sodium metasilicate with a solution of magnesium chloride (or nickel).
  • a highly hydrated silicometallic gel is obtained, of gelatinous consistency and having the chemical formula: If 4 Mg 3 ⁇ n, 11 ⁇ 2 O (or Si 4 Ni 3 ⁇ n, 11 ⁇ 2 O).
  • a series of centrifugation and washing with distilled water makes it possible to rid this silicometallic gel of the NaCl formed at the end of the coprecipitation reaction.
  • the starting silico / germano-metallic gel which is directly subjected to the hydrothermal treatment, is in the form of a highly hydrated substance having a gelatinous consistency.
  • This gel by its thixotropic behavior, can be made liquid by simple mechanical agitation.
  • the starting silico / germano-metallic gel is prepared by a coprecipitation reaction between:
  • a liquid composition comprising at least one saline solution chosen from: a solution of sodium metasilicate (Na 2 OSiO 2 ) and a solution of sodium metagermanate (Na 2 OGeO 2 ); the respective amounts of these two solutions being chosen to obtain a liquid composition having the following molar concentration ratios:
  • a solution of metal chloride (s) comprising at least one divalent metal chloride chosen from: magnesium chloride (MgCl 2 ), nickel chloride (NiCl 2 ), cobalt chloride ( CoCl 2 ), zinc chloride (ZnCl 2 ), copper chloride (CuCl 2 ), manganese chloride (MnCl 2 ), iron chloride (FeCl 2 ), chromium chloride (CrCl 2 ); with a molar concentration ratio for each of said metal chlorides, such as:
  • an acidic metal chloride composition (MCI 2 , nH 2 O) is prepared by dissolving in a volume of water an appropriate amount of a composition of hygroscopic crystals of at least one metal chloride selected from: chloride magnesium (MgCl 2 ), nickel chloride (NiCl 2 ), cobalt chloride (CoCl 2 ), zinc chloride (ZnCl 2 ), copper chloride (CuCl 2 ), manganese chloride (MnCl 2) ), iron chloride (FeCl 2 ), chromium chloride (CrCl 2 ); then add hydrochloric acid (HCl),
  • a liquid composition is prepared by dissolving in a suitable volume of water an amount of at least one salt chosen from: sodium metasilicate and sodium metagermanate,
  • the two aqueous compositions are mixed in selected proportions (stoichiometry of a talc (Si-Ge) 4 / M 3 ) to cause the formation of a coprecipitation gel.
  • the amounts of the various reagents are chosen so that Na + and Cl "at the end of the co-precipitation reaction are present in equimolar amounts.
  • the saline solution (Na +, CT) thus formed can be eliminated simply by making a liquid / solid separation.
  • the silico / germano-metallic gel is recovered, for example by centrifugation or filtration, to undergo a hydrothermal treatment according to the invention.
  • this coprecipitation gel at the same time it is freed of Na + and Cl " ions which are particularly harmful for good crystallization of the synthetic silico / germano-metallic nanoparticles.
  • at least one washing thereof is carried out with distilled water, in particular to rid it of all the Na + and Cl " ions of reaction. osmosis water, or simply with tap water.
  • said hydrothermal treatment is carried out for a period of time and with a temperature of between 300 ° C. and
  • a complementary addition of water may be envisaged to prevent the calcination of the solid fraction (the starting gel, the final product, any intermediate products) .
  • the need for this addition of water and the minimum amount of water to be added to avoid calcination depend essentially on the degree of hydration of the initial gel, the treatment temperature and the duration of this treatment.
  • the duration of the hydro-thermal treatment which can go from one day to several days, has a great influence notably on the crystallinity of the synthetic mineral finally obtained.
  • a hydrothermal treatment carried out at relatively high temperatures leads to the formation of synthetic mineral particles having structural characteristics (in particular lamellarity, crystallinity) very similar to those of natural talcs, and excellent thermal stability; and secondly, this first preparation method, in particular as a function of the choice of the temperature, makes it possible to extremely simple way of to synthesize synthetic, stable and pure silico / germano-metallic nanoparticles, of very precise and predictable size and crystalline characteristics.
  • the hydrothermal treatment of said silico / germano-metallic gel is carried out by means of an autoclave.
  • an autoclave made of steel with an internal lining made of titanium or stainless steel is used.
  • the autoclave with said silico / germano-metallic gel, is added an amount of water (preferably distilled water) at least sufficient to create, inside this autoclave brought to the temperature of treatment, a saturated vapor atmosphere.
  • water preferably distilled water
  • said hydrothermal treatment is carried out at a controlled pressure of the order of 16 bars.
  • the hydro-thermal treatment is carried out with a liquefied silico / germano-metallic gel having a liquid / solid ratio of the order of 0.83; the amount of liquid being expressed in cm 3 , and the amount of solid, in grams.
  • a liquefied silico / germano-metallic gel having a liquid / solid ratio of the order of 0.83; the amount of liquid being expressed in cm 3 , and the amount of solid, in grams.
  • the hydrothermal treatment is carried out with stirring.
  • stirring for this purpose, one can for example have a magnetic bar inside the autoclave.
  • a composition is obtained in the form of a colloidal solution containing said synthetic silico / germano-metallic nanoparticles.
  • These synthetic mineral nanoparticles, in solution in water can be in an individualized state with respect to each other.
  • the particle size of these elementary nanoparticles may vary between 10 nm and 1 ⁇ m, depending on the temperature of the hydrothermal treatment applied, temperature chosen between 300 0 C and 500 0 C.
  • the temperature of the hydrothermal treatment is less than 400 0 C.
  • a colloidal composition is recovered.
  • this colloidal composition is used directly to incorporate it into a composite material according to the invention, in particular in the context of a process for the electrolytic deposition on a substrate of a coating constituted by such a composite material.
  • said colloidal composition is subjected to a drying step followed by a mechanical grinding step to obtain a talcose composition comprising perfectly individualized silico / germano-metallic metal nanoparticles.
  • the possible aggregates contained in the composition are thus reduced to individualized elementary nanoparticles.
  • this mechanical grinding step does not have the effect of reducing the size of the nanoparticles, but only to disaggregate any aggregates resulting from the preparation process. It does not in any way harm the lamellarity and crystallinity of the nanoparticles.
  • the particle size distribution of these elementary synthetic silico / germano-metallic nanoparticles obtained is substantially unimodal and monodisperse.
  • the drying can be carried out by means of an oven; for example, at a temperature of the order of 60 ° C., for at least one to two days.
  • the grinding is advantageously carried out mechanically; for example with a mortar, preferably agate to avoid any risk of contamination of the talcose composition.
  • the hydrothermal treatment is carried out at a temperature of the order of 300 ° C., for example for a period of the order of 3 days.
  • a temperature of the order of 300 ° C. for example for a period of the order of 3 days.
  • elementary synthetic silico / germano-metallic nanoparticles whose granulometry is between 20 nm and 100 nm.
  • this first preparation method makes it possible to obtain compositions of synthetic silico / germano-metallic nanoparticles which all have the same chemical entity. As it happens, it comes to nanoparticles silico / synthetic germanium and metal of formula (Si x Gei -x) M3 ⁇ io 4 (OH) 2 as indicated above.
  • Si and Ge refer to silicon ions and / or germanium ions occupy the tetrahedral sites of the crystal lattice.
  • M symbolizes the divalent metal cations of the octahedral sites (for example Mg 2+ , Co 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ , Ni 2+ and / or Cr 2+ ).
  • this first preparation method makes it possible to obtain, as synthetic silico / germano-metallic nanoparticles, mineral nanoparticles corresponding to the chemical formula Si 4 Mg 3 ⁇ 10 (OH) 2 . It is then nanoparticles which can be qualified as "synthetic talcose nanoparticles", of chemical structure identical to that of a natural talc, but which are lamellar, crystalline, pure, of monodisperse and unimodal granulometry with an average size which can be between 10 nm and 1 ⁇ m.
  • the diffractogram corresponding to these synthetic talcose nanoparticles has a characteristic diffraction peak located at a distance of the order of 9.40-9.70 ⁇ , and corresponding to a plane ( 001).
  • the corresponding diffraction peak is located at a distance of the order of 9.35 ⁇ .
  • the synthetic talcose nanoparticles jointly have a good quality crystallinity and an extremely fine particle size, which can be between 10 nm and 1 ⁇ m.
  • particles of such a fineness can be obtained with a "amorphization" (reduction of crystallinity) severe product.
  • this amorphization is reflected in particular by a decrease in the intensity of the characteristic diffraction peaks, which are in particular the peaks located at: 9.35 ⁇ for the plane (001), 4.55 ⁇ for the plane (020), 3.14 ⁇ for plane (003), and 1.52 ⁇ for plane (060).
  • said first preparation method is generalizable to all gels containing silicon / germanium and metal which correspond to the chemical formula (Si x Gei -x) 4 M 3 ⁇ n, n'H 2 ⁇ .
  • the first preparation process thus allows the synthesis of compositions comprising nanoparticles silico / Germano synthetic metal of formula (Si x Gei -x) M3 ⁇ io 4 (OH) 2, which also share with natural talcs major structural similarities.
  • each sheet has a crystalline structure composed of a layer of octahedra (occupied by divalent metal ions: Mg 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ and / or Ni + ) interposed between two layers of inverted tetrahedra (occupied by Si 4+ and / or Ge 4+ ions).
  • divalent metal ions Mg 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ and / or Ni +
  • the first preparation method thus makes it possible to obtain compositions similar to a talc composition, for example compositions so-called “germanifers”, that is to say compositions comprising nanoparticles of crystalline structure reminiscent of that of talc, but in which the Si 4+ cations tetrahedral sites are at least partly substituted by Ge 4+ cations.
  • they may be so-called “derivative” or “functionalized” compositions, for example when the magnesium ions of the octahedral sites, in variable proportions, are replaced by other divalent cations in order to obtain nanoparticles at the same time.
  • physical properties, in particular optical and / or electrical properties improved with respect to nanoparticles of natural talc.
  • the infrared analyzes also make it possible to distinguish the synthetic silico / germano-metallic nanoparticles thus obtained, not only with respect to natural talcs but also with respect to other known phyllosilicates, such as by example kerolites, stevensites, smectites.
  • Synthetic silico / germano-metallic nanoparticles are characterized by their crystalline and lamellar structure whose X-ray diffraction analysis makes it possible to obtain a diffractogram having the characteristic diffraction peaks mentioned above.
  • the synthetic silico / germano-metallic nanoparticles obtained and incorporated in a composite material according to the invention have a diffraction peak of the plane (001) located at a distance of the order of 9.55-9.65 ⁇ .
  • Synthetic silico / germano-metallic nanoparticles also have the particularity of being able to present more or less sustained color tints, which depend on the nature of the divalent metal cations (Mg 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Ni 2+ , Cr 2+ ) and their proportion in the crystal lattice.
  • divalent metal cations Mg 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Ni 2+ , Cr 2+
  • the synthetic silico / germano-metallic nanoparticles are of a deep green or a pale green, when the Ni cations are preferred, at least in part, to the Mg + cations (of a conventional talc) to occupy the octahedral sites of the crystalline lattice.
  • the octahedral lattices of the crystal lattice are, at least in part, occupied by cations:
  • the talcose compositions are of a more or less pronounced rosé
  • the talcose compositions are more or less pronounced blue, - Mn + , the talcose compositions are chocolate-colored,
  • the talcose compositions have a color varying between gray and rust
  • the talcose compositions are white,
  • talcose compositions have a color ranging from green to blue.
  • the first preparation method thus makes it possible to obtain colored synthetic phyllosilicate nanoparticles despite their great fineness.
  • a composite material according to the invention can therefore be colored while retaining the properties mentioned above. Also, on the same principle of replacing the cations
  • the synthetic silico / germano-metallic nanoparticles may differ significantly of natural talc particles, in terms of their electrical and / or thermal conductance properties.
  • synthetic rubber nanoparticles as mentioned above and capable of being incorporated in a composite material according to the invention as synthetic phyllosilicate nanoparticles may be prepared according to a second preparation method.
  • a kerolite composition is subjected to a dry heat treatment at a pressure less than 5 bar, for a period (for example ranging from a few hours to several days) and with a processing temperature greater than 300 0 C.
  • the duration and the temperature of the anhydrous heat treatment are chosen so as to obtain particles of thermally stable synthetic talc and of formula Si 4 Mg 3 O 10 (OH) 2 .
  • This second preparation method results from the essential and surprising observation that an anhydrous heat treatment, carried out at a temperature of at least greater than 300 ° C., makes it extremely easy to convert a keratin composition into a composition of synthetic talcose nanoparticles. this composition being stable and pure, very precisely defined and predictable characteristics.
  • anhydrous heat treatment has the effect of inducing a progressive reorganization of the "pseudo-crystalline and hydrated" lamellar structure of a kerolite by reducing the lattice defects, and the relaxation water molecules trapped in the interfoliar spaces.
  • Anhydrous heat treatment carried out at 300 ° C. effectively makes it possible to induce significant modifications on the structure of kerolites (modifications detectable in particular by infrared and X-ray diffraction analysis methods) capable of leading to the production of nanoparticles. synthetic talcums.
  • the anhydrous heat treatment is thus carried out at a temperature of the order of 500-550 ° C. At such a temperature, synthetic talcose nanoparticles are obtained in about 5 hours.
  • the treatment time is greater than 5 hours.
  • the anhydrous heat treatment is carried out in the ambient air, inside a crucible, for example, ceramic or any other material adapted to the treatment temperature.
  • anhydrous heat treatment Directly after an anhydrous heat treatment, recovering a raw substance, solid white color and corresponding to more or less coarse aggregates formed of elemental synthetic talcose nanoparticles, aggregated to each other.
  • a mechanical grinding is provided at the end of the anhydrous heat treatment to loosen these aggregates into individualized elementary synthetic talcose nanoparticles and thus obtain a powdery composition.
  • the dimensional distribution of these elemental synthetic talcose nanoparticles is substantially unimodal and monodisperse.
  • a kerolite composition previously prepared from a silicometallic gel of chemical formula Si 4 Mg 3 O 1 ⁇ n 1 H 2 O is used, by means of a suitable hydrothermal treatment.
  • the second preparation method also comprises and advantageously a preliminary step in which a kerolite composition is prepared, which will subsequently be subjected to an anhydrous heat treatment as previously stated.
  • said kerolite composition is prepared from a silicometallic gel of formula Si 4 Mg 3 O 11 , nH 2 O, which has been subjected to a hydrothermal treatment at a pressure of saturating water, with a temperature of between 100.degree. 0 C and 24O 0 C, for a period of a day to a few months.
  • the choice of parameters, in particular temperature and duration, of said hydrothermal treatment allows some control over the particle size of the particles of synthetic talc that will ultimately be obtained.
  • the synthetic talcose nanoparticles that will ultimately be obtained will have a particle size ranging from 10 nm to 1 ⁇ m, with a substantially unimodal and monodisperse particle size distribution.
  • the silicometallic gel is prepared by coprecipitation, as indicated above with reference to the first preparation process, according to the reaction:
  • n 'and (m-n' + 1) being positive integers.
  • the kerolite composition directly from the hydrothermal treatment of said silicometallic gel is dried and ground to obtain a pulverulent composition before subjecting it to said anhydrous heat treatment.
  • the drying can be performed by means of an oven; for example, at a temperature of the order of 60 ° C., for at least one to two days.
  • the grinding is advantageously carried out mechanically; for example with a mortar, preferably agate to avoid any risk of contamination of the composition of keratites.
  • synthetic talcose nanoparticles obtained according to the second preparation method are characterized by an X-ray diffraction analysis which leads to a diffractogram having the following characteristic diffraction peaks:
  • the diffraction peak corresponding to the (001) plane is located at a distance of the order of 9.40-9.43 ⁇ .
  • the second preparation method makes it possible to obtain synthetic talcose nanoparticles which have a particle size of less than 500 nm, in particular between 20 nm and 100 nm. These synthetic talcose nanoparticles also have a substantially unimodal and monodisperse granulometric distribution.
  • a composite material according to the invention comprises, as synthetic phyllosilicate nanoparticles, synthetic lamellar phyllosilicate mineral nanoparticles, called TOT-TOT swelling inter-laminate nanoparticles, formed of an interstratification between: at least one non-swelling mineral phase formed by a stack of elementary layers of phyllogermanosilicate 2/1 type and chemical formula - (Si x Gei -x) M3 ⁇ io 4 (OH) 2 -, and
  • At least one swelling mineral phase formed of a stack of elementary sheets of 2/1 phyllogermanosilicate type and at least one interfoliary space between two consecutive elementary sheets; said swelling mineral phase having the chemical formula
  • M denotes at least one divalent metal and having the formula; each y (i) representing a number
  • x being a real number of the interval [0; 1], - ⁇ and ⁇ 'relating respectively to the cationic deficit of the elementary sheets of the swelling phase, and to the cations present in the inter-linear space (s),
  • Si and Ge refer to the silicon ions and / or germanium ions that occupy the tetrahedral sites of the crystal lattice.
  • M symbolizes the divalent metal cations of the octahedral sites (for example Mg 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Ni 2+ and / or Cr 2+ ).
  • Smectites are the most diverse group of 2/1 clay minerals. In view of their structure, they are called type T. O. T. (tetrahedron octahedron tetrahedron) swelling.
  • the octahedral layer of the smectites is formed by two planes of ions O 2 " and OH " (in the molar proportion O 2 VOH " of 2: 1).
  • This middle layer comes from two-dimensional networks of tetrahedra, one of whose vertices is occupied by an oxygen of the octahedral layer, while the other three are by oxygen substantially coplanar.
  • tetrahedral sites are generally occupied by Si 4+ or Al 3+ ions, and octahedral sites are usually occupied by Mg 2+ , Fe 2+ , Al 3+ and / or Fe 3 cations. + .
  • a small proportion of the octahedral and / or tetrahedral sites are unoccupied and are responsible for the cationic deficit of the crystal lattice forming the elementary sheets.
  • Smectites are also characterized by the presence of interfoliary spaces between the elemental layers that contain water and cations and form the swelling phase of the mineral.
  • these interfoliary cations are generally Mg 2+ , Ca 2+ and / or Na + ions.
  • This particular structure gives the smectites the particularity of being able to easily form lamellar complexes with water and with many organic molecules, such as glycerol and ethylene glycol, which are inserted in the interfoliar space. Also, the interfoliar cations are weakly related to the rest of the network and are therefore likely to be exchanged with other cations, with more or less ease. We are talking about the cationic exchange capacity of the mineral.
  • the aforementioned swelling OTs are mineral nanoparticles of cationic exchange structure and capacity reminiscent of those of natural smectites, but whose structural characteristics, such as crystallinity and ratio - swelling phase / non-swelling mineral phase -, in view of the particular parameters applied during of their preparation, can be predictable and / or relatively well defined.
  • These swelling TOT-TOT interstratified nanoparticles are even more hydrophilic than the synthetic silico / germano-metallic nanoparticles, have an even greater accessible surface, favoring the dispersion in the suspension of precursors of the metal matrix during the formation of the composite material. as described below, and the adsorption of nanoparticles on metal grains during metal growth, without hindering this metal growth.
  • THIRD PROCESS OF PREPARATION Said swelling TOT-TOT interstratified nanoparticles are prepared according to a third preparation process characterized in that a hydrothermal treatment of a silico / germano-metallic gel of chemical formula - (Si x Ge I.
  • ⁇ M 3 is, n'H 2 ⁇ - in the liquid state
  • said hydrothermal treatment is carried out for a time and at a temperature comprised between 15O 0 C and 300 0 C, chosen depending on the desired structural characteristics for said nanoparticles TOT-TOT interstratified swelling to be prepared
  • said hydrothermal treatment is carried out at a controlled pressure of the order of 16 bar and with stirring, for a given temperature and duration of hydrothermal treatment
  • a complementary addition of water is carried out silico / germano-silicate gel so as to adjust the water / solid ratio representative of the silico / germano-metallic gel reaction mixture process, depending on the volume ratio - mineral phase swelling / non-swelling mineral phase - desired for the nanoparticles TOT TOT blowing to prepare.
  • the starting silico / germano-metallic product which is directly subjected to the hydrothermal treatment, is in the form of a gel, that is to say a highly hydrated substance having a consistency gelatinous.
  • This gel has a thixotropic behavior and is made liquid by simple agitation mechanical.
  • the starting silico / germano-metallic gel is advantageously prepared by a coprecipitation reaction as described above with reference to the first preparation process.
  • the additional addition of water also makes it possible to prevent the calcination of the solid fraction (the starting gel, the final product, any intermediate products).
  • the need for this addition of water and the minimum amount of water to be added to avoid calcination depend essentially on the degree of hydration of the initial gel, the treatment temperature and the duration of this treatment. Nevertheless, the water / solid proportion chosen to perform the hydrothermal treatment is not insignificant, it influences some of the physicochemical and structural properties of inter-laminate nanoparticles T. O. T. -T. O. inflating T. which will be obtained in the end.
  • this proportion has a significant influence on the crystallinity of the product and on the proportion - swelling mineral phase / non-swelling mineral phase - and thus in fine especially on the cation exchange capacity of the product obtained, as well as on the capacity of it to be loaded into various molecules and substances.
  • the duration of the hydro-thermal treatment which can go from one day to several days, has a great influence notably on the crystallinity of the synthetic mineral finally obtained.
  • the hydrothermal treatment of said silico / germano-metallic gel is carried out by means of an autoclave.
  • an autoclave steel liner polytetrafluoroethylene (Teflon®), titanium or stainless steel is used.
  • said hydrothermal treatment is carried out at a temperature of the order of 22O 0 C, for a duration of the order of 15 days.
  • said hydrothermal treatment is carried out at a temperature of the order of 300 ° C., for a duration of the order of 5 hours.
  • a synthetic mineral composition is obtained in the form of a colloidal solution containing said nanoparticles of interflatifying TOT-TOT swelling.
  • These synthetic mineral nanoparticles, in solution in water can be found either in a more or less individualized state relative to each other, or are organized into more or less coarse aggregates formed of elementary nanoparticles of inter-laminate TOT-TOT swelling, aggregated to each other.
  • a colloidal composition is recovered that can be used as it is, or alternatively subjected to a drying step followed by a mechanical grinding step, as indicated above. with reference to the first preparation method, to obtain a solid composition comprising individual TOT-TOT interstratified nanoparticles.
  • compositions obtained by the third method of preparation Among the interlaminated nanoparticle compositions
  • TOT-TOT swelling that can be obtained by this third preparation process and used in a composite material according to the invention include, by way of particular example, synthetic talc-stevensite interlayer compositions in which the mineral nanoparticles form an interstratification between: a stack of talc sheets, of formula - Si 4 Mg 3 ⁇ 10 (OH) 2 -, which forms the non-swelling mineral phase, and
  • the third preparation method allows to obtain nanoparticles compositions TOT-TOT interstratified interlayers of compositions analogous to a talc-stevensite interstratified composition, for example, so-called "germaniferous" compositions, in which at least a part of the Si 4+ cations of the tetrahedral sites is substituted with Ge cations. 4+.
  • these analyzes made it possible to establish the influence of the representative water / solid ratio of the silico / germano-metallic gel reaction mixture on the proportion of the swelling phase in the prepared synthetic mineral. For a given temperature and a given hydrothermal treatment time, the higher the ratio, the less the part corresponding to the swelling phase.
  • the synthetic phyllosilicate nanoparticles of a composite material according to the invention are chosen from the group consisting of:
  • the invention also extends to a composite material characterized in that said synthetic phyllosilicate nanoparticles are obtained by a preparation process selected from the first preparation method, the second preparation method and the third preparation method mentioned above.
  • the composite material comprises a volume proportion of synthetic phyllosilicate nanoparticles of less than 20% (and greater than 0%).
  • the synthetic phyllosilicate nanoparticles are distributed individually and dispersed within the metal matrix, more particularly within the grains of the metal matrix.
  • the metal matrix consists of a metal chosen from Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Cu, W, Mo, Zn, Au, Ag, Pt, Sn, by an intermetallic compound or an alloy of several metals selected from the above-mentioned metals, or an alloy of one or more of said metals with a metalloid.
  • the metal matrix may consist of a metal selected from the abovementioned metals, alone, or in the form of intermetallic compound, or in the form of an alloy of several metals, or in the form of an alloy with a metalloid.
  • Composite materials whose matrix is nickel, a metal alloy of nickel with other metals, or a nickel alloy with a metalloid (for example NiP) are particularly interesting.
  • a coating constituted by a composite material according to the invention may be deposited electrolytically on the substrate to be treated.
  • the method of depositing on a substrate a coating constituted by the composite material according to the invention consists in performing an electrolytic deposition using a solution of precursors of the metal matrix of the coating. It is characterized in that the precursor solution further contains synthetic phyllosilicate nanoparticles.
  • the invention extends to a method of depositing on a substrate a coating constituted by a composite material comprising a metal matrix in which lamellar phyllosilicate mineral particles are distributed, characterized in that it consists in carrying out an electrolytic deposition using a precursor solution of the metal matrix of the coating which furthermore contains nanoparticles, called phyllosilicate nanoparticles hydrophilic synthetic synthetic silico / germano-metallic minerals having a mean dimension of between 10 nm and 1 ⁇ m.
  • the deposition process is carried out chemically, by contacting the surface of the substrate to be coated with the solution containing the precursors of the metal matrix, the synthetic phyllosilicate nanoparticles, and a compound acting as a catalyst for the oxidation reduction of the precursors of the metal matrix of the coating.
  • said catalyst is deposited beforehand on the substrate.
  • the deposition method is implemented electrochemically in an electrochemical cell in which said substrate to be coated constitutes the cathode and the electrolyte is a precursor solution of the metal matrix of the coating further containing the synthetic phyllosilicate nanoparticles.
  • the anode of the electrochemical cell is constituted by the metal forming the matrix or an insoluble anode.
  • the precursors of the metal matrix are chosen from ionic compounds, complexed or non-complexed, reducible in solution by chemical means or by addition of electrons.
  • ionic compounds such as chlorides, sulphates and sulphamates, as well as complexes such as citrates and acetates.
  • the precursor solution further contains one or more compounds for adjusting the pH to the desired value, as well as the modified talc particles.
  • the electrolyte is a solution containing at least one nickel salt selected from nickel sulfate and nickel chloride, a pH regulating agent and a supporting electrolyte.
  • a particularly preferred pH regulator is boric acid; at pH 4.5, it forms a complex with nickel by releasing H + and thus balances the reduction of H + ions at the cathode.
  • sodium sulphate, magnesium sulphate and sodium bromide may be mentioned.
  • an electrolyte containing at least one nickel salt chosen from nickel sulphate and chloride, a pH-regulating agent, a phosphorus precursor and a supporting electrolyte H 3 PO 3 is advantageously chosen phosphorus precursor.
  • the pH regulator may be chosen from H 3 PO 4 and H 3 BO 3 , H 3 PO 4 being particularly preferred.
  • a supporting electrolyte mention may be made, for example, of sodium sulphate, magnesium sulphate and sodium bromide.
  • a coating comprising a zinc-nickel matrix is deposited electrochemically, it is possible to use basic or acidic electrolytes containing at least one nickel salt chosen from nickel sulphate and chloride, at least one zinc oxide or one zinc salt such as zinc chloride, a complexing agent of the amine type and a supporting electrolyte such as for example KCl.
  • the process is carried out under the usual conditions of electrochemical deposition.
  • the duration of the electrolysis depends in particular on the desired thickness for the coating.
  • the temperature in the electrochemical cell is advantageously between 0 ° C. and 9 ° C. and the current density applied to the cell is between 0.1 and 10 A. dm " .
  • anode is of the soluble anode type, constituted by the metal to be deposited.
  • a proportion of synthetic phyllosilicate nanoparticles is used such that the volume proportion of these synthetic phyllosilicate nanoparticles in the coating obtained is less than 20% (and of course greater than 0%).
  • the substrate may be constituted by an intrinsically conductive material (for example a metal or an alloy) used in solid state or in the form of a coating on any support.
  • the substrate may further consist of an insulating or semiconductor material (for example a polymer or a ceramic) whose surface to be treated has been rendered conductive by a preliminary metallization step.
  • the mechanical properties of the composite coatings were tested with a pion-disk tribometer in which the pin (which constitutes the antagonist body) is a 100C6 steel ball having a hardness of 1000 Hv.
  • the pin which constitutes the antagonist body
  • the adhesion of nickel to the steel is manifested by a high coefficient of friction and a high wear rate of the steel ball.
  • the disc used consists of a composite material comprising a nickel matrix and synthetic phyllosilicate nanoparticles according to the invention, the coefficient of friction and the wear rate are greatly reduced.
  • the invention also relates to a composite material, a substrate, a lubricating coating and a deposition process characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a coating formed of a composite material according to the state of the art
  • FIG. 2 shows three absorption spectra recorded in the mid-infrared, corresponding to three different synthetic phyllosilicate nanoparticle compositions that may be incorporated in a composite material according to the invention
  • FIG. 3 corresponds to an enlargement of previous spectra at the area between 3850 cm- 1 and 3500 cm- 1 ,
  • FIG. 4 shows the area between 6000 cm -1 to 8000 cm -1 of three absorption spectra recorded in the near infrared, corresponding to the three compositions of FIG. 1
  • FIGS. 5 and 6 show the X-ray diffractograms corresponding to the three compositions of FIG. 2, and to a fourth particular composition of synthetic phyllosilicate nanoparticles,
  • FIGS. 7a, 7b and 7c represent scanning electron micrographs of a composition of synthetic phyllosilicate nanoparticles that can be incorporated in a composite material according to the invention
  • FIGS. 8 and 9 correspond to micrographs taken in transmission electron microscopy, illustrating the nanometric size and the substantially unimodal and monodisperse distribution, of synthetic phyllosilicate nanoparticles of three particular compositions,
  • FIG. 10 shows the diffractograms corresponding to the X-ray diffraction analysis performed on four nanoparticle compositions of T.O.T. Blowing O. T., prepared according to the third preparation method with different water / solid proportions, during the hydrothermal treatment,
  • FIGS. 11a to 11d are X-ray diffraction analyzes carried out on ethylene glycol and calcium saturated oriented slides, prepared with the four preceding compositions of interlayer nanoparticles T.O. T. -T. O. swelling,
  • FIG. 12 shows three absorption spectra recorded in the mid-infrared, which correspond to three inter-laminate nanoparticle compositions T.O.T. O. T. particular swelling,
  • FIGS. 13a and 13b correspond to enlargements of the spectra of FIG. 1, made at the level of particular zones,
  • FIG. 14 corresponds to absorption spectra recorded in the near infrared, illustrating the conversion by an anhydrous heat treatment of a swelling TOT-TOT inter-laminate nanoparticle composition according to the invention into a composition of synthetic talcose nanoparticles
  • FIG. 15 shows three diffractograms corresponding to the X-ray diffraction analysis of the mineral compositions of FIGS. 12, 13a, 13b and 14, and confirms the observations thereof,
  • FIGS. 16 and 17 are diagrammatic representations which respectively illustrate the crystalline organization of synthetic nanoparticles obtained after conversion by an anhydrous thermal treatment of nanoparticles of interlaminar T.O. T. -T. O. blowing T. obtained according to the third method of preparation, and the crystalline organization of nanoparticles interstratified T. O. T. -T. Blowing O. T. obtained according to the third method of preparation, - Figure 18 shows three absorption spectra recorded in the middle infrared, and corresponding to three mineral compositions of particular synthetic talcose nanoparticles,
  • FIGS. 19a and 19b correspond to enlargements of the spectra of FIG. 18, at the level of particular zones;
  • FIG. 20 shows three absorption spectra recorded in the near infrared, corresponding to these three mineral compositions of synthetic talcose nanoparticles,
  • FIG. 21 shows the diffractograms corresponding to the X-ray diffraction analysis performed on three other mineral compositions of particular synthetic talcose nanoparticles
  • FIG. 22 shows the comparative diffractograms between a composition of synthetic talcose nanoparticles prepared according to the second preparation method, and a sample of natural talc, also of nanometric size, but obtained by intensive mechanical grinding
  • FIG. 23 is a diagram. illustrating a coating formed of a composite material according to the invention.
  • FIG. 1 represents a coating formed of a composite material according to WO 2004/063428 comprising particles 2 of modified natural talc incorporated in a metal matrix formed of grains 3, this metal matrix being deposited on a substrate 4.
  • the particles 2 extend substantially in a direction normal to the surface of the substrate 4, and the The size of these particles 2 is of the same order of magnitude as the size of the metallic grains 3. Consequently, the particles 2 of natural talc are interposed between the grains, impede the growth of the metal grains during the deposition, and extend into protrusion at the free surface of the coating, causing a high roughness of the latter after the deposition step.
  • the incorporation of natural talc induces that of impurities.
  • a silico / germano-metallic gel is prepared by coprecipitation according to the following reaction equation:
  • This coprecipitation reaction makes it possible to obtain a hydrous silico / germano-metallic gel having the stoichiometry of a natural talc (4 Si / Ge for 3 M). It is implemented from:
  • the preparation of the silico / germano-metallic gel is carried out according to the following protocol: 1. the hydrochloric acid solutions and the metal chloride solution (or metals) are mixed,
  • This gel exhibits a thixotropic behavior, that is to say that it goes from a viscous state to a liquid state when it is agitated, then returns to its initial state after a certain rest period.
  • the silico / germano-metallic gel as previously obtained is subjected to a hydrothermal treatment, at a temperature of 300 ° C. to 500 ° C. To do this:
  • the gel in liquefied form, is placed in a reactor / autoclave; optionally the liquid / solid ratio is adjusted to a value of the order of 0.83 (the quantity of liquid being expressed in cm 3 , and the amount of solid, in grams), 2. the reactor / autoclave is placed at a temperature of inside an oven, at the reaction temperature (established between 300 0 C and 500 0 C), throughout the duration of the treatment.
  • the inventors have been able to observe that the temperature of the hydrothermal treatment depended on the particle size of the particles. The lower this temperature, the smaller the synthesized particles (of the order of 10 nanometers at 300 0 C, up to 1 micrometer for a temperature of the order of 500 0 C). Also, the inventors were able to note that the duration of the treatment depended essentially on the crystallinity and the thermal stability of the synthesized particles.
  • the hydrothermal treatment should be of sufficient duration to allow conversion of the initial gelatinous mass into a crystallized solid material and thermally stable.
  • the silico / germano-metallic gel gradually loses its gelatinous consistency to adopt a particulate crystalline structure whose crystallinity increases with time. This gradual crystallization of the material can be observed by an X-ray diffraction analysis, and is reflected on the corresponding diffractograms by the appearance of characteristic peaks which are refined and intensified throughout the treatment.
  • a colloidal synthetic composition comprising pure crystalline synthetic lamellar phyllosilicate (silico / germano-metallic) nanoparticles suspended in water.
  • a subsequent treatment in particular:
  • the contents of the reactor are filtered to recover the solid phase
  • the solid composition is dried in an oven at 60 ° C., for 1 day,
  • the solid composition is ground with an agate mortar.
  • FIGS. 2 to 4 present the results of analyzes carried out respectively in mid-infrared and near-infrared, on the following three synthetic compositions: a composition of synthetic silico / germano-metallic nanoparticles of formula Si 4 Mg 3 ⁇ 10 (OH) 2 prepared according to the first preparation method (with an octahedral cation, Mg), with a hydrothermal treatment of 300 ° C. for 3 days (in the figures, this composition is referenced: PS Mg 300 ° C.),
  • composition of synthetic silico / germano-metallic nanoparticles of formula Si 4 Ni 3 O 10 (OH) 2 prepared according to the first preparation method (with for octahedral cation, Ni), with a hydrothermal treatment of 300 ° C. for 3 days (in the figures, this composition is referenced: PS Ni 300 ° C.),
  • composition of synthetic silico / germano-metallic nanoparticles of formula Si 4 (C 0 0 , 5 N 10 , 5 ) 3 O 10 (OH) 2 prepared according to the first preparation method (with octahedral cations, Co + Ni in equimolar proportions) ), with a hydrothermal treatment of 300 0 C for 3 days (in the figures, this composition is referenced: PS Co Ni 300 0 C).
  • RX diffractograms were recorded on an XPERT-MPD (PanAnalytical) device.
  • Measurement step 2 ⁇ is 0.01 ° with an accumulation time of 2 sec / step.
  • the acceleration voltage is 40 kV, the intensity of 55 mA.
  • the Bragg relation giving equi structural distance is:
  • FIG. 5 presents the results of analyzes carried out on the same three compositions as previously cited: - Si 4 Mg 3 O 0 (OH) 2 , referenced: PS Mg 300 0 C
  • FIG. 6 presents an X-ray diffractogram of an articulated nanoparticle composition of formula Ge 4 Fe 3 O 1 O (OH) 2 prepared in accordance with the first preparation method.
  • the synthetic silico / germano-metallic nanoparticles obtained differ from a natural talc in that they are hydrophilic, which is visually observed by a simple contact of the nanoparticles with water.
  • FIG. 7a, 7b and 7c relate to the observation of a composition of synthetic silico / germano-metallic nanoparticles (phyllosilicate), which can be qualified as synthetic talcose nanoparticles, prepared with a hydrothermal treatment of 300 ° C., a duration of 3 days, of formula Si 4 Mg3 ⁇ io (OH) 2 .
  • FIG. 8 relates to the observation of a composition of synthetic silico-metallic nanoparticles prepared with a hydrothermal treatment of 300 ° C., of a duration of 3 days, of formula Si 4 Ni 3 ⁇ 10 (OH) 2 .
  • the nanoparticles are perfectly lamellar, pure, and that the particle size of the elementary nanoparticles varies between 20 nm and 100 nm.
  • FIG. 9 relates to the observation of a composition of synthetic silico-metallic nanoparticles of formula Si 4 Mg 3 ⁇ 0 (OH) 2 , obtained after a hydrothermal treatment of 400 ° C., lasting for 30 days.
  • the silico / germano-metallic gel as previously obtained is subjected to a hydrothermal treatment, at a temperature of 150 ° C. to 300 ° C.
  • the gel in liquefied form, is placed in a reactor (40 ml); optionally the water / solid ratio is adjusted, in particular to avoid calcination of the solid fraction); in order to avoid any problem of leakage of the reactor, it is filled to 2/3 of its volume,
  • the reactor is placed inside an oven, at the reaction temperature (set between 150 ° C. and 300 ° C.), throughout the duration of the treatment.
  • the silico / germano-metallic gel gradually loses its initial consistency to become a particulate solid composition whose crystallinity increases with time. This gradual crystallization of the material can be observed by X-ray diffraction analysis and, on the corresponding diffractograms, results in the appearance of characteristic peaks which are refined and intensified throughout the treatment.
  • colloidal composition comprising inter-laminate nanoparticles T.O.T.-T.O.T. swelling, in solution in water.
  • colloidal composition obtained directly, or, alternatively, to carry out the following post-treatment:
  • nanoparticles of inter-laminate T.O.T. O. T. inflating type are provided.
  • compositions of interstratified nanoparticles TOT-TOT swelling are compositions of TOT-TOT interbedded nanoparticles swelling talc-stevensite type prepared with a hydrothermal treatment at 22O 0 C, at 16 bar and for 21 days. These four compositions are distinguished from each other by the water / solid proportions which were used during the hydrothermal treatment of silicometallic gels - Si 4 Mg 3 ⁇ , n'H 2 ⁇ -.
  • compositions are designated R100, R50, R25 and R10 with reference to the water / solid proportion used (the quantity of water being expressed in liters and the amount of solid in kg).
  • composition R100 30 ml of water per 300 mg of solid (solid fraction of the gel), composition R50: 20 ml of water per 400 mg of solid,
  • composition R25 20 ml of water per 800 mg of solid
  • composition RIO 10 ml of water per 1000 mg of solid.
  • Figure 1 shows the results of X-ray diffraction analyzes obtained with the four preceding compositions.
  • the diffractograms were recorded on a device
  • Measurement step 2 ⁇ is 0.01 ° with an accumulation time of 2 sec / step.
  • the acceleration voltage is 40 kV, and the intensity of
  • the X-ray diffractograms have, in the (020), (003) and (060) planes, diffraction peaks whose positions are very close to those of the characteristic diffraction peaks of a natural talc:
  • the position of the corresponding diffraction peaks is situated at a distance varying between 9.71 ⁇ and 10.32 ⁇ . This distance differs significantly from 9.35 ⁇ representative of the plane (001) of a natural talc.
  • This offset of the peak corresponding to the plane (001) as well as the presence of a peak pointed at a distance of the order of 14-15 ⁇ , in particular at 14.6 ⁇ reflects an interstratification of the non-swelling talcous mineral phase, with another mineral phase, the stevensite, which forms the swelling mineral phase. This is confirmed, on the one hand, by the finding that the greater the relative amount of stevensite in the mineral particles, the higher the diffraction peak of the (001) plane shifts towards the small diffraction angles.
  • the pellet is resuspended in 1N CaCl 2 solution; the mixture is vortexed for about 30 seconds, then allowed to stand for about 12 hours,
  • the pellet is washed with osmosis water: after addition of the osmosis water, the mixture is vortexed and ultrasonized for 10 seconds, then allowed to stand for about 1 hour before being centrifuged at 7000 rpm for 15 minutes to remove the supernatant; this washing is repeated 5 times,
  • the pellet which corresponds to a saturated calcium product, is taken up in osmosis water, the mixture is vortexed for 30 seconds and ultrasonicated for 10 seconds, 7. the solution thus prepared is taken with a pipette and put it on a glass slide, 8. Once the slide is dried, ethylene glycol is sprayed onto it and allowed to act for 5 minutes; this blade is now saturated with calcium and ethylene glycol and is ready for analysis.
  • Figures l ia to Hd show the X-ray diffractograms obtained. Table 1 below summarizes the data.
  • FIG. 12 presents the results of analyzes carried out in medium-infrared transmission on:
  • composition of inter laminate nanoparticles TOT-TOT talc stevensite prepared according to the general hydrothermal treatment protocol of the third preparation method described above, in the following particular conditions: the hydrothermal treatment is carried out at 22O 0 VS for 24 hours, with a ratio of distilled water to gel of 0.83 (200 g of pulverulent composition per 166 cm 3 of water),
  • a first composition of nanoparticles composed of synthetic talcose (Ts 300 0 C-5h) obtained from the composition of nanoparticles of TOT-TOT swelling talc-stevensite (Its) above and with an anhydrous heat treatment of 300 ° C. C, for a period of 5 hours
  • a second composition of synthetic talcose nanoparticles (Ts 500 0 C - 5h) obtained from the composition of nanoparticles of TOT-TOT swelling talc-stévensite (Its) preceding and with a anhydrous heat treatment of 500 ° C. for a period of 5 hours.
  • the acquisition of the infrared spectra was carried out with a NICOLET 510-FTIR spectrometer over a range of 4000 to 400 cm -1 .
  • FIGS. 13a and 13b show enlargements of the zones in which the vibration bands at 3678 cm -1 , at 1018 cm -1 and at 669 cm -1 are located .
  • the treated mineral composition acquires a crystallinity and a degree of hydration that are very comparable to those of a natural talc in a relatively short time (as early as 5 hours). about treatment).
  • Figure 15 presents the results of analyzes performed on:
  • Ts 55O 0 C synthetic talcose nanoparticles obtained from the above TOT-TOT swellant talc-stevensite inter-laminate nanoparticle composition and with an anhydrous heat treatment of 55O 0 C, for a period of 5 hours.
  • the characteristic peaks of talc intensify with an anhydrous heat treatment both at 55O 0 C and 300 0 C, and this intensity increases with the duration of treatment. After only 5 hours of an anhydrous heat treatment of 55O 0 C, the characteristic diffraction peaks of talc are refined. In particular, the diffraction peak of the (001) plane changes from a position at 9.64 ⁇ to 9.50 ⁇ ; it is very close to the value of 9.35 ⁇ characteristic of a natural talc.
  • This difference in values may reflect a very small size of the nanoparticles (nanometric size) and / or a slight residual hydration of the synthetic talcose nanoparticles, which increases the inter-reticular distance d (001) due to the presence of the intercalated water molecules. between the sheets corresponding to the talc structure.
  • this hydration is less and less pronounced with a longer duration of anhydrous heat treatment.
  • a measurement of the width at mid-height of the peaks of the planes (001), (020), (003) and (060) shows the evolution of the crystallinity and confirms that, for a treatment temperature greater than 300 ° C., the more the synthesis time increases, the more the crystallinity of the synthetic talcose nanoparticles improves (the width at half height decreases with the treatment time).
  • the X-ray diffractograms shown in FIG. 15 also show the presence of the diffraction peaks characteristic of sodium chloride (NaCl). The presence of these peaks indicates an insufficient washing and rinsing of the silicometallic gel, prior to the hydrothermal treatment. In this case, the three compositions analyzed were prepared with only one wash cycle of the silicometallic gel.
  • FIGS 16 and 17 which show schematically the crystalline structure, synthetic talcose nanoparticles and nanoparticles of TOT-TOT swelling inter-laminate talc-stevensite obtained, have a microscopic organization superimposed elementary sheets 1.
  • Each sheet 1 has a crystalline structure composed of a layer of octahedra 4 occupied by divalent metal cations, in this case Mg 2+ .
  • Each of these octahedral layers is interposed between two layers of tetrahedrons 3.
  • the crystalline structure of the nanoparticles of inter-laminate T.O. T.-T. O. T. swelling talc-stevensite is characterized by the presence of metal cation gaps at certain octahedral sites of the elementary sheets 1. These cationic vacancies explain the low crystallinity observed especially on X-ray diffractograms.
  • the crystalline structure of the nanoparticles of inter-laminate T.O. T.-T. O. T. swelling talc-stevensite is also characterized by an irregular stacking of elementary sheets 1 and the presence of interfoliary spaces 2 at which water molecules and hydrated cations infiltrate. These cations infiltrated into the interfoliar spaces 2 make it possible to compensate for the loss of charge due to the cationic gaps in the mineral phase.
  • the crystalline edifice thus remains in a relatively neutral state.
  • interfoliar cations are weakly related to the rest of the network and are therefore likely to be exchanged by other cations. Also, the interfoliar spaces 2 are more or less expansible. Within these interfoliar spaces, various substances can be introduced.
  • the synthetic talcose nanoparticles are prepared according to the second preparation method which consists of an anhydrous heat treatment of a keratin composition.
  • This anhydrous heat treatment is carried out at low pressure, less than 5 bar (for example, at atmospheric pressure) and at a temperature greater than 300 ° C.
  • This anhydrous heat treatment makes it possible to convert a kerolite into perfectly crystallized synthetic talcose nanoparticles and thermally stable.
  • the particle size of these synthetic talcose nanoparticles can be determined and adjusted according to the characteristics of the starting kerolite, and the process for preparing this kerolite. 1 / - Preparation of the silicometallic gel
  • the silicometallic gel is prepared by a coprecipitation reaction according to the following equation:
  • This coprecipitation reaction makes it possible to obtain a hydrated silicometallic gel having the stoichiometry of talc (4 Si per 3 Mg). It is carried out starting from: 1. an aqueous solution of penta-hydrated sodium metasilicate, prepared by diluting 0.1 mole of sodium metasilicate in 250 cm -3 of distilled water, 2. a solution of sodium chloride, magnesium, prepared by diluting 0.075 mole of magnesium chloride (in the form of hygroscopic crystals) in 50 cm "3 of distilled water, and 3. 50 cm" 3 N hydrochloric acid.
  • the gel is washed with water, for example with distilled water, osmosis or simply with tap water (at least two cycles of washing / centrifugation).
  • the silicometallic aggregates obtained are milled with an agate mortar until a homogeneous powder is obtained. This pulverulent silicometallic composition is then subjected to a hydrothermal treatment to obtain a kerolite composition. To do this :
  • the powdered silicometallic composition is placed in a reactor (autoclave) with distilled water in a liquid / solid ratio of 0.83 (for example 200 g of pulverulent composition per 166 cm 3 of water),
  • the reactor is placed in an oven at a temperature of the order of 22O 0 C and for a processing time of one day or more,
  • the previously prepared kerolite composition is then subjected to an anhydrous heat treatment. To do this, it is placed in a platinum crucible and is heated. It is also possible to use a ceramic crucible, or any other material adapted to the treatment temperature. The heating of said composition is carried out at atmospheric pressure.
  • Figure 18 presents the results of analyzes carried out in medium-infrared on:
  • a kerolite composition prepared according to the method previously described; a first composition of synthetic talcose nanoparticles
  • Ts 500 0 C - 5h A second composition of synthetic talcose nanoparticles obtained from the previous kerolites composition and with an anhydrous heat treatment of 500 0 C, for a period of 5 hours.
  • the acquisition of the infrared spectra was carried out with a Nicolet 510-FTIR spectrometer over a range of 4000 to 400 cm -1 .
  • Figures 19a and 19b show enlargements of the areas where localized vibration bands at 3678 cm- 1 , 1018 cm- 1 and 669 cm- 1 . Measurements have also been carried out in diffuse reflection in the near infrared in order to visualize the vibration of the Mg 3 -OH bond pointed at 7185 cm -1
  • Figure 20 shows an enlargement of the zone between 6000 cm -1 to 8000 cm- 1
  • the preceding analyzes confirm that an anhydrous heat treatment, in particular at 300 0 C or 500 0 C, makes it possible to transform a composition of kerolites into a composition of synthetic talcose nanoparticles. Nevertheless, with an anhydrous heat treatment carried out at a temperature of the order of 300 ° C. only, obtaining a degree of hydration similar to that of a natural talc is long. On the other hand, with an anhydrous heat treatment at a temperature of the order of 500 ° C., the treated mineral composition acquires a crystallinity and a degree of hydration that are very comparable to those of a natural talc in a relatively short time (as early as 5 hours). about treatment).
  • Figure 21 presents the results of analyzes carried out on: a composition of synthetic kerolites (Ker.) prepared according to the coprecipitation method described above,
  • Ts 55O 0 C synthetic talcose nanoparticles obtained from the preceding kerolites composition and with an anhydrous heat treatment of 55O 0 C, for a period of 5 hours.
  • Measurement step 2 ⁇ is 0.01 ° with an accumulation time of 2 sec / step.
  • the acceleration voltage is 40 kV, the intensity of 55 mA.
  • the Bragg relation giving the structural equidistance is These analyzes confirm what has been observed in infrared spectroscopy.
  • the characteristic peaks of the talc structure intensify with an anhydrous heat treatment both at 55O 0 C and 300 0 C, and this intensity increases with the duration of treatment.
  • the diffraction peaks characteristic of the talc structure are refined.
  • the diffraction peak corresponding to the (001) plane passes from a position at 9.64 ⁇ to 9.50 ⁇ ; it is very close to the value of 9.35 ⁇ characteristic of a natural talc.
  • This difference in values reflects a very slight residual hydration of the synthetic talcose nanoparticles and / or a very small size of the nanoparticles (nanometric size).
  • the hydration is less and less pronounced when the duration of the anhydrous heat treatment increases.
  • a measurement of the width at mid-height of the peaks of the planes (001), (020), (003) and (060) shows the evolution of the crystallinity and confirms that, for a treatment temperature greater than 300 ° C., plus the synthesis time increases, the crystallinity of the nanoparticles improves (the width at half height decreases with the treatment time).
  • the diffractograms presented in FIG. 21 also show the presence of the diffraction peaks characteristic of sodium chloride (NaCl). The presence of these peaks indicates an insufficient washing and rinsing of the silicometallic gel, prior to the hydrothermal treatment. In this case, the three compositions analyzed were prepared with only one wash cycle of the silicometallic gel.
  • FIG. 22 presents, for comparison, an X-ray diffractogram of a sample of synthetic talcose nanoparticles (Talc synth.), Of nanometric size, between 20 and 100 nm, and of a sample of natural talc (Talc nat.) according to the state of the art mechanically milled until particles having a particle size of about 70-120 nm are obtained.
  • Natural talc (nanoscale talc) is also differentiated from synthetic talcose nanoparticles (Talc synth.) By a much lower intensity of these diffraction peaks.
  • the synthetic talcose nanoparticles and the synthetic keratin nanoparticles have a microscopic organization in superimposed elementary sheets, similar to that shown in FIGS. 16 and 17, the number of which varies from a few units to a few tens of units.
  • the crystalline structure of the elementary sheets is constituted by the association of two tetrahedral layers located on either side of an octahedral layer.
  • the octahedral layer is formed of two planes of ions O 2 " and OH " (in the molar ratio O VOH " of 2: 1).
  • On both sides of this median layer come three-dimensional networks of tetrahedra one of whose vertices is occupied by an oxygen common to the tetrahedral layer and the octahedral layer, while the other three are occupied by substantially coplanar oxygens belonging to a tetrahedral layer.
  • the tetrahedral cavities are occupied by Si 4+ ions and the octahedral cavities are occupied by the Mg + cations.
  • the crystal lattice of synthetic keratin nanoparticles has gaps; a small proportion of the octahedral sites are not occupied. This results in a cationic deficit.
  • This cationic deficit is largely filled by the presence of cations, called compensating cations, which occupy the interfoliar spaces.
  • compensating cations which occupy the interfoliar spaces.
  • EXAMPLE 4 Nickel-Based Composite Coating
  • the synthetic nanoparticles obtained in Examples 1 to 3 are hydrophilic lamellar synthetic phyllosilicate nanoparticles which can be used to produce a lubricating composite coating by electrolytic deposition comprising a metal matrix in which these nanoparticles are dispersed.
  • Example 4 the coating was prepared in an electrochemical cell constituted by a nickel anode 4 cm 4 and a 1.762 cm copper cathode "on which the deposit is made.
  • the electrochemical cell contains an electrolyte having a pH of 4.5 and the following composition:
  • the deposition is carried out by maintaining the electrolyte at a temperature of 55 0 C at a current density of 2.5 A.dm 2, for a period of h30.
  • the structure of the coating obtained is shown schematically in FIG. 23.
  • the composite material forming the coating comprises metal grains in which are incorporated Synthetic talcose nanoparticles 6. These nanoparticles, which are much smaller than the average size of the metallic grains, do not modify the surface state of the coating and in no way interfere with the production of the metallic deposit.
  • the deposition is carried out while maintaining the electrolyte at a temperature of 80 ° C. for a period of 45 minutes.
  • the deposition is carried out by maintaining the electrolyte at a temperature of 55 ° C. under a current density of 5 A.dm -2 for a period of 12 minutes.
  • a composite coating according to the invention can be produced by electrolytic deposition of the chemical type.
  • the coating is prepared in a cell containing a 1.8 cm steel substrate pre-coated with a 1 micron nickel layer.
  • the cell contains an electrolyte having a pH of 4.5 and the following composition:
  • EXAMPLE 8 Ni-Co-Based Composite Coatings
  • the coatings were prepared in an electrochemical cell similar to that used in Example 4, with an electrolyte having the following composition: Co (CH 3 CO 2 ), n H 2 O 10 gl "1
  • Nickel-cobalt matrix composite coatings were prepared from synthetic talcose nanoparticles prepared according to the first preparation method as described in Example 1.
  • the hydrothermal treatment conditions were as follows: 300 ° C., 90 ⁇ 10 5 Pa, with a duration of 6 hours or 15 days. It has been shown that the presence of nanoparticles dispersed in the electrolyte causes an affinity and a modification of the micro structure of the electrochemical deposits.
  • Deposits made from suspensions comprising synthetic talcose nanoparticles directly removed from the reactor without drying step and then dispersed in the electrolyte make it possible to obtain a smoother coating and interesting tribological properties, incorporating synthetic talcose nanoparticles dispersed between the granules, clearly visible under the TEM microscope (x40000) for particle concentrations 2.5 times lower than in the case of milled dried synthetic talcose nanoparticle powders.

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Abstract

L'invention concerne un matériau composite comprenant une matrice métallique au sein de laquelle sont réparties des particules minérales phyllosilicatées lamellaires, caractérisé en ce que les particules minérales phyllosilicatées lamellaires sont des particules, dites nanoparticules phyllosilicatées synthétiques (6), minérales silico/germano-métalliques lamellaires synthétiques hydrophiles présentant une dimension moyenne comprise entre 10 nm et 1 µm. Elle s'étend à un substrat portant un revêtement lubrifiant formé d'un tel matériau et à un procédé de préparation par dépôt électrolytique.

Description

MATÉRIAU COMPOSITE CONSTITUÉ PAR UNE MATRICE MÉTALLIQUE
DANS LAQUELLE SONT RÉPARTIES DES NANOP ARTICULES
PHYLLOSILICATÉES LAMELLAIRES SYNTHÉTIQUES
L'invention concerne un matériau composite, son utilisation comme revêtement métallique lubrifiant, et un procédé pour son élaboration.
Dans de nombreux domaines industriels tels que par exemple le transport, la connectique ou l'armement, on utilise des ensembles mécaniques dans lesquels des pièces en contact sont en mouvement les unes par rapport aux autres. Dans de nombreux cas, il est souhaitable de traiter les surfaces des pièces en contact afin de leur conférer, en plus de leurs propriétés de base, des propriétés lubrifiantes stables aux températures élevées, afin d'augmenter la durée de vie et la fiabilité des ensembles mécaniques dans lesquels des surfaces sont en contact.
Il est connu de déposer des revêtements composites lubrifiants par des procédés électro lyriques, soit par voie chimique (procédé electroless) soit par voie électrochimique. Un procédé de codépôt dit "electroless" sur un substrat est un procédé consistant à incorporer des particules au cours du processus de croissance d'un métal ou d'un alliage par oxydoréduction catalysée. Un procédé de codépôt par voie électrochimique consiste à incorporer des particules au cours du processus de croissance d'un métal ou d'un alliage sur un substrat à revêtir, à partir d'un électrolyte dans une cellule d'électrolyse.
Par exemple, le dépôt d'un revêtement lubrifiant de PTFE dans une matrice métallique à base de nickel par un procédé "electroless" à partir d'une suspension de PTFE dans une solution de précurseur de nickel est connu par X. Hu, et al., (Plating and surface fmishing, Mars 1997). Mais les revêtements de cette nature ne sont pas stables, le PTFE étant détruit aux températures supérieures à 3000C. L'élaboration de dépôts antifriction de NiP incorporant des nanoparticules minérales de fullerene-WS2 par un procédé "electroless" est décrite notamment par W. X. Chen, et al, Advanced Engineering Materials, vol. 4, n° 9, Septembre 2002]. Par la technique "electroless", on peut également déposer des revêtements lubrifiants NiP-B4C [Cf. J. P. Ge, et al, Plating and surface fmishing, octobre 1998]. En outre, des revêtements Ni-BNj1 sont décrits par M. Pushpavanam, et al., [(Métal Finishing, Juin 1995)] et des revêtements composites de nickel chargé en MoS2 sont décrits par Yu-Chi Chang, et al., [Electrochimica Acta, vol. 43, Issues 3-4, 1998, p. 315-324]. Dans les deux cas, les revêtements peuvent être obtenus par voie électrochimique. Toutefois, les nitrures de bore ont des résistances chimiques très faibles en milieu acide et basique.
Par ailleurs, WO 2004/063428 décrit un matériau composite comprenant une matrice métallique au sein de laquelle sont réparties des particules de talc naturel ayant une dimension moyenne inférieure à 15 μm et portant à leur surface un composé dérivé de cellulose, fixé par remplacement de tout ou partie des groupes hydroxyle, de façon à conférer des propriétés hydrophiles au talc (qui est naturellement fortement hydrophobe), permettant la formation d'une suspension sans précaution dans un milieu aqueux formant un électrolyte.
Néanmoins, il s'avère que ce matériau composite présente divers inconvénients.
Tout d'abord, les particules de talc naturel modifiées sont sous forme générale de flocons présentant des zones hydrophiles situées essentiellement au niveau des chants périphériques des particules, les faces principales de ces particules conservant des propriétés hydrophobes. En conséquence, lors de l'élaboration du matériau composite par dépôt électrolytique (chimique ou électrochimique), les particules de talc s'orientent spontanément principalement avec leurs faces principales s'étendant selon des directions normales à la surface du substrat à revêtir. Cette orientation est défavorable vis-à-vis des propriétés de lubrification recherchées pour lesquelles il serait au contraire souhaitable que les feuillets s'orientent principalement parallèlement à la surface du substrat. En outre, elle entraîne, conjointement avec le deuxième inconvénient mentionné ci-après, une forte rugosité de surface, généralement incompatible avec les applications dans lesquelles on recherche un revêtement métallique lubrifiant avec des surfaces en contact susceptibles de glisser les unes sur les autres. Pour remédier à cette rugosité, il est donc nécessaire de procéder ultérieurement à une étape de rodage du revêtement métallique réalisé. Mais, outre que cette étape est coûteuse, elle a également pour conséquence de générer des défauts au sein du matériau composite constituant le revêtement, et en particulier à la surface de la matrice métallique, notamment lorsqu'elle entraîne un déplacement ou un enlèvement des particules de talc saillantes. En outre, la granulométrie (finesse et distribution granulométrique des particules pulvérulentes) d'un talc naturel dépend essentiellement des techniques de broyage mécanique et du matériel qui sont employés. A partir d'un talc naturel, les poudres obtenues par broyage mécanique ont généralement une granulométrie de l'ordre de quelques micromètres à quelques centaines de micromètres.
Outre une fluctuation non négligeable de la distribution granulométrique des particules, le broyage mécanique entraîne une détérioration structurelle progressive et significative du talc et l'apparition de nombreux défauts dans sa structure cristalline. Plus le broyage est fin et plus la structure cristalline initiale s'en trouve altérée.
Ainsi, les particules de talc naturel lamellaire les plus fines pouvant être obtenues ont une dimension moyenne qui est toujours supérieure à 1 μm, et présentent une distribution granulométrique mal contrôlée, souvent polymodale, non symétrique, et de forte dispersion. En conséquence, le matériau composite inclut des particules de talc naturel de taille relativement élevée, en tout cas du même ordre de grandeur ou supérieure à celle des grains métalliques qui se forment au fur et à mesure du dépôt électrolytique. Ces particules de talc relativement grandes affectent de façon sensible la croissance du dépôt métallique et les phénomènes d'oxydoréduction et/ou électrochimique qui se produisent au cours du dépôt.
En outre, les compositions de talc naturel ne sont pas pures à 100 %. En effet, il n'existe actuellement aucune composition solide divisée de talc naturel qui soit pure à 100 % ; les particules de talc naturel ne répondent pas toutes à la formule chimique Si4Mg3O1O(OH)2, qui n'est ainsi que très théorique. Le degré de pureté (absence d'association minéralogique avec d'autres minéraux tels que calcite, chlorite, pyrite, ...) et la nature des impuretés (teneurs plus ou moins importantes en Fe, Al, F, et des traces de Mn, Ti, Cr, Ni, Ca, Na et/ou K) d'un talc naturel est fonction du gisement d'origine.
Il en résulte en pratique une qualité insuffisante du matériau composite obtenu, notamment pour pouvoir être utilisé à titre de revêtement métallique lubrifiant.
Il est à noter que certaines compositions de talc naturel de dimension moyenne plus faible et présentant une distribution granulométrique améliorée ont été décrites. Néanmoins, lorsque des particules de talc naturel sont broyées à une dimension inférieure à 1 μm, elles perdent leurs propriétés liées à leur caractère lamellaire qui disparaît. En effet, en dessous de cette dimension, le broyage induit probablement autant, sinon plus, une séparation des feuillets qu'une diminution de la dimension moyenne radiale des particules. En conséquence, de telles particules nanométriques de talc naturel ne sont pas lamellaires, et ne sont donc pas appropriées à la réalisation d'un matériau composite présentant des propriétés lubrifiantes. De surcroît, la mise en œuvre du procédé de greffage d'un dérivé de cellulose sur de telles particules de talc naturel pose problème.
L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un matériau composite qui présente les avantages du matériau composite décrit par WO 2004/063428, sans en présenter les inconvénients susmentionnés. Ainsi, l'invention vise à fournir un matériau composite apte à former un revêtement métallique lubrifiant, qui présente des propriétés d'état de surface, d'homogénéité, de dureté et de résistance à l'usure requises de manière classique pour des pièces mécaniques en contact et en déplacement les unes par rapport aux autres dans un ensemble mécanique, et des propriétés lubrifiantes stables à des températures élevées, par exemple de l'ordre de 8000C, et ce sans nécessiter d'étape de rodage.
Plus particulièrement, l'invention vise à proposer un tel matériau composite dont les propriétés mécaniques sont essentiellement celles de la matrice métallique qui le compose, mais avec un coefficient de frottement dynamique et un coefficient de frottement sous déplacements restreints fortement diminués. Autrement dit, l'invention vise à proposer un tel matériau composite dans lequel les propriétés tribologiques sont améliorées (coefficients de frottement, taux d'usure...) mais dans lequel les autres propriétés mécaniques (résistances, modules d'élasticité, dureté,...) sont conservées, et correspondent au moins sensiblement à celles de sa matrice métallique. C'est pourquoi la présente invention a pour objet un matériau composite, son utilisation comme revêtement autolubrifiant d'un substrat, ainsi qu'un procédé pour son élaboration.
L'invention concerne donc un matériau composite comprenant une matrice métallique au sein de laquelle sont réparties des particules minérales phyllosilicatées lamellaires, caractérisé en ce que les particules minérales phyllosilicatées lamellaires sont des particules, dites nanoparticules phyllosilicatées synthétiques, minérales silico/germano-métalliques lamellaires synthétiques hydrophiles présentant une dimension moyenne comprise entre 10 nm et 1 μm.
Plus particulièrement, le matériau composite selon l'invention est constitué par une matrice métallique au sein de laquelle sont réparties des nanoparticules phyllosilicatées synthétiques qui sont lamellaires et hydrophiles.
Les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques d'un matériau composite selon l'invention peuvent faire l'objet de différentes variantes, dès lors qu'elles sont lamellaires hydrophiles et compatibles avec son procédé d'élaboration. Dans un matériau composite selon l'invention, les nanoparticules sont en réalité noyées dans les grains métalliques de la matrice métallique et ne nuisent pas sensiblement à la qualité et à l'homogénéité de cette matrice métallique.
Les inventeurs ont en particulier réussi à obtenir des nanoparticules phyllosilicatées synthétiques qui présentent ces propriétés, et restent stables jusqu'à des températures élevées, typiquement de l'ordre de 7000C à 8000C, et qui peuvent être obtenues avec une distribution granulométrique monodisperse et unimodale. Ces nanoparticules phyllosilicatées synthétiques sont donc particulièrement adaptées à former un matériau composite selon l'invention apte à être utilisé à titre de revêtement métallique lubrifiant. Ainsi, avantageusement, dans une première variante, un matériau composite selon l'invention, comprend, à titre de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques, des nanoparticules, dites nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques, de formule - (SixGe1-^)4 M 3O1O(OH)2 - dans laquelle :
- M désignant au moins un métal divalent et ayant pour formule Mgyw C°y(2) Znyβ) C-Uy(4) Mriy(5) Fe^ Ni-^7; Cτy(8) ; chaque y(ï) étant un
8 nombre réel de l'intervalle [0 ; 1], tel que ]_yS) = \
1=1
- x étant un nombre réel de l'intervalle [0 ; 1],
- une analyse en diffraction des rayons X desdites nanoparticules minérales silico/germano-métalliques synthétiques conduisant à l'obtention d'un diffractogramme présentant des pics de diffraction caractéristiques suivants :
- un pic situé à une distance de l'ordre de 9,40-9,68 Â, pour un plan (001) ;
- un pic situé à 4,50-4,75 Â, pour un plan (020) ;
- un pic situé à 3,10-3,20 Â, pour un plan (003) ;
- un pic situé à 1,50-1,55 Â, pour un plan (060). Ces nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques présentent une structure cristalline et lamellaire. y(i) fait référence au ratio [nombre de sites octaédriques occupés par un cation métallique (i) considéré]/ [nombre total de sites octaédriques]. x correspond au ratio suivant : nombre de sites tétraédriques occupés par les cations Si + nombre total de sites tétraédriques
PREMIER PROCÉDÉ DE PRÉPARATION
Un premier procédé de préparation de telles nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques selon l'invention est caractérisé par un traitement hydrothermal d'un gel silico/germano-métallique de formule - (SixGeI- x)4 M3 On, n'H2O -, à l'état liquide. Préparation du gel
Dans une première étape, on forme un coprécipité initial par une réaction entre une solution de métasilicate de sodium avec une solution de chlorure de magnésium (ou de nickel). On obtient alors un gel silicométallique fortement hydraté, de consistance gélatineuse et ayant pour formule chimique : Si4Mg3θn, 11Η2O (ou Si4Ni3θn, 11Η2O). Une série de centrifugation et de lavage à l'eau distillée permet de débarrasser ce gel silicométallique du NaCl formé à l'issue de la réaction de coprécipitation. n' désigne le nombre de molécules d'eau emprisonnées dans le gel hydraté. Le gel silico/germano-métallique de départ, qui est directement soumis au traitement hydrothermal, se présente sous la forme d'une substance fortement hydratée, ayant une consistance gélatineuse. Ce gel, par son comportement thixotropique, peut être rendu liquide par une simple agitation mécanique.
Selon un mode particulier de mise en œuvre, on prépare le gel silico/germano-métallique de départ par une réaction de coprécipitation entre :
- une composition liquide comprenant au moins une solution saline choisie parmi : une solution de métasilicate de sodium (Na2OSiO2) et une solution de métagermanate de sodium (Na2OGeO2) ; les quantités respectives de ces deux solutions étant choisies pour obtenir une composition liquide présentant les ratios de concentration molaire suivants :
[Na2OSiO2I [Na2OGeO2I ,
[Na2OSiO2] + [Na2OGeO2] [Na2OSiO2] + [Na2OGeO2]
- une solution de chlorure(s) métallique(s) (MCl2) comprenant au moins un chlorure de métal divalent choisi parmi : le chlorure de magnésium (MgCl2), le chlorure de nickel (NiCl2), le chlorure de cobalt (CoCl2), le chlorure de zinc (ZnCl2), le chlorure de cuivre (CuCl2), le chlorure de manganèse (MnCl2), le chlorure de fer (FeCl2), le chlorure de chrome (CrCl2) ; avec un ratio de concentration molaire pour chacun desdits chlorures de métal, tel que :
[métal divalent] (i)
[M](totale)
- en présence d'une solution d'acide chlorhydrique.
Ce faisant, on réalise la réaction chimique suivante :
> [(SixGe7-X)4M3O11, n'H2O] + 8NaCl +(m-n'+ I)H2O
Figure imgf000009_0001
m, n' et (m-n'+l) étant des nombres entiers positifs.
La préparation de ce type de gel est bien connue et, à titre d'exemple, on peut suivre les instructions données dans la publication Decarreau et al., 1989 ("Synthèse et stabilité des stévensites kérolites et talcs, magnésiens et nickélifères, entre 80 et 24O0C" -R. Acad. Scie. Paris-, t. 308, série II, p.301-306).
Avantageusement et en pratique, pour réaliser le gel silico/germano-métallique de formule (SixGeI.^ M3 On, n'H2θ, on réalise successivement les étapes suivantes :
- on prépare une composition acide de chlorure de métal (MCI2, nH2O) en faisant dissoudre dans un volume d'eau une quantité appropriée d'une composition de cristaux hygroscopiques d'au moins un chlorure de métal choisi parmi : le chlorure de magnésium (MgCl2), le chlorure de nickel (NiCl2), le chlorure de cobalt (CoCl2), le chlorure de zinc (ZnCl2), le chlorure de cuivre (CuCl2), le chlorure de manganèse (MnCl2), le chlorure de fer (FeCl2), le chlorure de chrome (CrCl2) ; puis on y rajoute l'acide chlorhydrique (HCl),
- on prépare une composition liquide en faisant dissoudre dans un volume d'eau appropriée une quantité d'au moins un sel choisi parmi : le métasilicate de sodium et le métagermanate de sodium,
- on mélange les deux compositions aqueuses dans des proportions choisies (stœchiométrie d'un talc (Si-Ge)4/M3) pour provoquer la formation d'un gel de coprécipitation.
Les quantités utilisées des différents réactifs sont choisies pour que les ions Na+ et Cl" à l'issue de la réaction de coprécipitation soient présents en quantités équimolaires. La solution saline (Na+, CT) ainsi formée peut être éliminée simplement en procédant à une séparation liquide/solide.
Une fois la coprécipitation survenue, on récupère le gel silico/germano-métallique, par exemple, par centrifugation ou filtration, pour le soumettre à un traitement hydrothermal conforme à l'invention. En récupérant ainsi ce gel de coprécipitation, on le débarrasse par la même occasion des ions Na+ et Cl" qui sont particulièrement néfastes pour une bonne cristallisation des nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques. Avantageusement, une fois le gel de coprécipitation récupéré, on réalise au moins un lavage de celui-ci à l'eau distillée, notamment pour le débarrasser de tous les ions Na+ et Cl" de réaction. Ce lavage peut également être effectué avec de l'eau osmosée, ou simplement avec de l'eau du robinet. Traitement hydrothermal
Dans ledit premier procédé, on réalise ledit traitement hydrothermal pendant une durée et avec une température comprise entre 3000C et
5000C, choisies en fonction de la granulométrie et de la stabilité structurelle souhaitées pour les nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques à préparer.
Pour mettre en œuvre le traitement hydrothermal du gel silico/germano-métallique, de préférence, une adjonction complémentaire d'eau peut être envisagée pour prévenir la calcination de la fraction solide (le gel de départ, le produit final, les éventuels produits intermédiaires). La nécessité de cette adjonction d'eau et la quantité d'eau minimale à ajouter pour éviter la calcination dépendent essentiellement du degré d'hydratation du gel initial, de la température de traitement ainsi que de la durée de ce traitement.
La durée du traitement hydro thermal, qui peut aller d'un jour à plusieurs jours, a une grande influence notamment sur la cristallinité du minéral synthétique obtenu au final.
Ce premier procédé de préparation de nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques découle des constatations essentielles et surprenantes suivantes :
- d'une part, un traitement hydrothermal réalisé à des températures relativement élevées (par rapport aux 110-2400C préconisées dans la publication Decarreau et al, 1989), comprises entre 3000C et 5000C, conduit à la formation des particules minérales synthétiques ayant des caractéristiques structurelles (notamment lamellarité, cristallinité) très similaires à celles des talcs naturels, et une excellente stabilité thermique, - d'autre part, ce premier procédé de préparation, notamment en fonction du choix de la température, permet de façon extrêmement simple de synthétiser des nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques, stables et pures, de taille et de caractéristiques cristallines très précisément définies et prévisibles.
Avantageusement, on effectue le traitement hydrothermal dudit gel silico/germano-métallique au moyen d'un autoclave. De préférence on utilise un autoclave en acier à chemisage intérieur en titane ou en acier inoxydable.
Avantageusement, on rajoute dans l'autoclave, avec ledit gel silico/germano-métallique, une quantité d'eau (de préférence de l'eau distillée) au moins suffisante pour créer, à l'intérieur de cet autoclave porté à la température de traitement, une atmosphère de vapeur saturante.
Avantageusement et selon une variante de mise en œuvre de ce premier procédé de préparation, on réalise ledit traitement hydrothermal à une pression contrôlée de l'ordre de 16 bars.
Avantageusement, on réalise le traitement hydro thermal avec un gel silico/germano-métallique liquéfié ayant un rapport liquide/solide de l'ordre de 0,83 ; la quantité de liquide étant exprimée en cm3, et la quantité de solide, en grammes. Eventuellement, si nécessaire, on rajoute audit gel silico/germano- métallique liquéfié une quantité d'eau appropriée pour atteindre ce rapport.
Avantageusement et selon l'invention, on réalise le traitement hydrothermal sous agitation. A cet effet, on peut par exemple disposer un barreau aimanté à l'intérieur de l'autoclave.
Au terme d'un traitement hydrothermal conforme à ce premier procédé de préparation, on obtient une composition se présentant sous la forme d'une solution colloïdale renfermant lesdites nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques. Ces nanoparticules minérales synthétiques, en solution dans l'eau peuvent se trouver dans un état individualisé les unes par rapport aux autres. La granulométrie de ces nanoparticules élémentaires peut varier entre 10 nm et 1 μm, selon la température du traitement hydrothermal appliquée, température choisie entre 3000C et 5000C. De préférence, la température du traitement hydrothermal est inférieure à 400 0C.
Post-traitement À l'issue du traitement hydrothermal, on récupère une composition colloïdale. Dans une première variante de l'invention, on utilise cette composition colloïdale directement pour l'incorporer dans un matériau composite selon l'invention, notamment dans le cadre d'un procédé de dépôt électrolytique sur un substrat d'un revêtement constitué par un tel matériau composite.
Dans une autre variante, on soumet ladite composition colloïdale à une étape de séchage suivie d'une étape de broyage mécanique pour obtenir une composition talqueuse comprenant des nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques parfaitement individualisées. Les agrégats éventuels contenus dans la composition sont ainsi réduits en nanoparticules élémentaires individualisées. Il est à noter cependant que cette étape de broyage mécanique n'a pas pour effet de réduire la taille des nanoparticules, mais uniquement de désagréger les éventuels agrégats résultant du procédé de préparation. Elle ne nuit donc en aucune manière à la lamellarité et à la cristallinité des nanoparticules. La répartition granulométrique de ces nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques élémentaires obtenues est sensiblement unimodale et monodisperse.
Avantageusement, le séchage peut être réalisé au moyen d'une étuve ; par exemple, à une température de l'ordre de 6O0C, pendant au moins un à deux jours. Le broyage est réalisé avantageusement de façon mécanique ; par exemple avec un mortier, de préférence en agate pour éviter tout risque de contamination de la composition talqueuse.
Avantageusement, on réalise le traitement hydrothermal à une température de l'ordre de 3000C, par exemple pendant une durée de l'ordre de 3 jours. On peut alors par exemple obtenir au final des nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques élémentaires dont la granulométrie se situe entre 20 nm et 100 nm. Compositions obtenues par le premier procédé de préparation
II est à noter en particulier que ce premier procédé de préparation permet d'obtenir des compositions de nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques qui ont toutes une même entité chimique. En l'occurrence, il s'agit de nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques répondant à la formule (SixGei-x)4M3θio(OH)2 comme indiqué ci-dessus.
Dans cette formule chimique (SixGei-x)4M3θio(OH)2, Si et Ge se réfèrent aux ions silicium et/ou aux ions germanium qui occupent les sites tétraédriques du réseau cristallin. M symbolise les cations métalliques divalents des sites octaédriques (par exemple Mg2+, Co2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ et/ou Cr2+).
En particulier, ce premier procédé de préparation permet d'obtenir, à titre de nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques, des nanoparticules minérales répondant à la formule chimique Si4Mg3θio(OH)2. Il s'agit alors de nanoparticules qui peuvent être qualifiées de « nanoparticules talqueuses synthétiques », de structure chimique identique à celle d'un talc naturel, mais qui sont lamellaires, cristallines, pures, de granulométrie monodisperse et unimodale avec une dimension moyenne pouvant être comprise entre 10 nm et 1 μm. Des analyses réalisées en diffraction des rayons X et en spectroscopie infrarouge ont en effet permis d'établir qu'un traitement hydrothermal conforme à l'invention, appliqué directement sur un gel silicométallique de formule chimique Si4 Mg3θπ, n'H2θ (c'est-à-dire un gel silico/germano-métallique de formule chimique (SixGeI-^ Ms On, n'H2θ, dans laquelle x est égal à 1, et M désigne le magnésium), conduit à l'obtention d'une composition colloïdale de talc synthétique dont les particules en suspension montrent une grande similitude, en particulier sur le plan de la cristallinité et de la lamellarité, avec un talc naturel (constatation faites notamment à partir de spectres réalisés en transmission dans le moyen infrarouge et en réflexion diffuse dans le proche infrarouge). On notera cependant que, s'agissant d'une composition de nanoparticules talqueuses synthétiques préparée conformément au premier procédé de préparation (c'est-à-dire de formule (SixGei-x)4M3θio(OH)2 dans laquelle x est égal à 1 et M désigne le magnésium), celle-ci se distingue d'une composition de talc naturel notamment par sa pureté. En particulier, les nanoparticules talqueuses synthétiques sont exclusivement des particules de formule chimique Si4Mg3θio(OH)2. Or, il n'existe, à l'heure actuelle, aucune composition pulvérulente préparée à partir de talc naturel qui soit à 100 % pure.
En particulier, en diffraction des rayons X, le diffracto gramme correspondant à ces nanop articule s talqueuses synthétiques présente un pic de diffraction caractéristique situé à une distance de l'ordre de 9,40-9,70 Â, et correspondant à un plan (001). Pour un talc naturel, le pic de diffraction correspondant est situé à une distance de l'ordre de 9,35 Â.
Egalement, les nanoparticules talqueuses synthétiques présentent conjointement une cristallinité de bonne qualité et une granulométrie extrêmement fine, pouvant être comprise entre 10 nm et 1 μm. Or, dans l'état actuel des techniques de broyage, à partir d'un talc naturel, des particules d'une telle finesse ne peuvent être obtenues qu'avec une "amorphisation" (diminution de la cristallinité) sévère du produit. En diffraction des rayons X, cette amorphisation se traduit notamment par une diminution de l'intensité des pics de diffraction caractéristiques, que sont notamment les pics situés à : 9,35 Â pour le plan (001), 4,55 Â pour le plan (020), 3,14 À pour le plan (003), et 1,52 À pour le plan (060).
Ces analyses ont également permis de constater que ledit premier procédé de préparation est généralisable à l'ensemble de gels silico/germano-métalliques qui répondent à la formule chimique (SixGei-x)4 M3 θn, n'H2θ. Ce premier procédé de préparation permet ainsi la synthèse de compositions comprenant des nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques de formule (SixGei-x)4M3θio(OH)2, qui partagent également avec les talcs naturels de grandes similitudes structurelles.
Ces nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques présentent en effet une organisation nanométrique en feuillets superposés ; chaque feuillet présente une structure cristalline composée d'une couche d'octaèdres (occupés par des ions métalliques divalents : Mg2+, Co2+, Zn2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+ et/ou Ni +) intercalées entre deux couches de tétraèdres inversés (occupés par les ions Si4+ et/ou Ge4+). Le premier procédé de préparation permet donc d'obtenir des compositions analogues à une composition de talc, par exemple des compositions dites "germanifères", c'est-à-dire des compositions comprenant des nanoparticules de structure cristalline rappelant celle du talc, mais dans lesquels les cations Si4+ des sites tétraédriques sont au moins en partie substitués par des cations Ge4+. De même, il peut s'agir de compositions dites "dérivées" ou dites "fonctionnalisées", par exemple lorsque les ions magnésium des sites octaédriques, en proportions variables, sont remplacés par d'autres cations divalents en vue d'obtenir des nanoparticules aux propriétés physiques, notamment optique et/ou électrique, améliorées par rapport à des nanoparticules de talc naturel.
Outre les méthodes de diffraction des rayons X, les analyses en infrarouges permettent aussi de distinguer les nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques ainsi obtenues, non seulement par rapport à des talcs naturels mais également par rapport à d'autres phyllosilicates connus, tels que par exemple kérolites, stévensites, smectites.
Les nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques sont caractérisées par leur structure cristalline et lamellaire dont l'analyse en diffraction des rayons X, permet l'obtention d'un diffractogramme présentant les pics de diffraction caractéristiques mentionnés ci-dessus.
Avantageusement les nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques obtenues et incorporées dans un matériau composite selon l'invention présentent un pic de diffraction du plan (001) situé à une distance de l'ordre de 9,55-9,65 À.
Les nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques ont aussi la particularité de pouvoir présenter des teintes colorées plus ou moins soutenues, qui dépendent de la nature des cations métalliques divalents (Mg2+, Co2+, Zn2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+, Ni2+, Cr2+) et de leur proportion dans le réseau cristallin.
Par exemple, les nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques sont d'un vert soutenu ou d'un vert pâle, lorsque les cations Ni sont préférés, au moins en partie, aux cations Mg + (d'un talc classique) pour occuper les sites octaédriques du réseau cristallin. De même, lorsque les sites octaédriques du réseau cristallin sont, au moins en partie, occupés par des cations :
- Co2+, les compositions talqueuses sont d'un rosé plus ou moins prononcé,
- Cu2+, les compositions talqueuses sont d'un bleu plus ou moins prononcé, - Mn +, les compositions talqueuses sont de couleur chocolat,
- Fe2+, les compositions talqueuses ont une couleur variant entre gris et rouille,
- Zn2+, les compositions talqueuses sont de couleur blanche,
- Cr2+, les compositions talqueuses ont une couleur variant du vert au bleu.
À ce titre, il est à noter que, si les talcs naturels sous forme de roches peuvent présenter des couleurs variées (vert, rosé, miel...), leur broyage en fines particules conduit à la formation de produits pulvérulents toujours blancs. En effet, la couleur d'un bloc de talc naturel n'est pas due à des centres colorés propres à la composition chimique de la matière mais à l'agencement particulier des particules de talc, les unes par rapport aux autres ; le broyage en fines particules uniformise l'ensemble et conduit à la perte de la coloration.
Le premier procédé de préparation permet donc d'obtenir des nanoparticules phyllosilicatées synthétiques colorées malgré leur grande finesse. Un matériau composite selon l'invention peut donc être coloré tout en conservant les propriétés mentionnées ci-dessus. Egalement, sur ce même principe de remplacement des cations
Mg2+, par d'autres cations divalents, en fonction du choix du(des) cation(s) divalent(s) destiné(s) à occuper les sites octaédriques du réseau cristallin, les nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques peuvent différer notablement de particules de talc naturel, au niveau de leurs propriétés de conductance électrique et/ou thermique.
En conséquence, les propriétés de conductance électrique et/ou thermique d'un matériau composite selon l'invention peuvent être ajustés au moins partiellement en fonction de celles de ses nanoparticules phyllosilicatées synthétiques. DEUXIÈME PROCÉDÉ DE PRÉPARATION Dans une variante, des nanop articule s talqueuses synthétiques telles que mentionnées ci-dessus et aptes à être incorporées dans un matériau composite selon l'invention à titre de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques, peuvent être préparées selon un deuxième procédé de préparation. Dans ce deuxième procédé de préparation, on soumet une composition de kérolites à un traitement thermique anhydre effectué à une pression inférieure à 5 bars, pendant une durée (notamment allant de quelques heures à plusieurs jours) et avec une température de traitement supérieure à 3000C. La durée et la température du traitement thermique anhydre sont choisies de façon à obtenir des particules de talc synthétique thermiquement stable et de formule Si4Mg3O10(OH)2.
Ce deuxième procédé de préparation découle de la constatation essentielle et surprenante qu'un traitement thermique anhydre, réalisé à une température au moins supérieure à 3000C, permet de façon extrêmement simple de convertir une composition de kérolites en une composition de nanoparticules talqueuses synthétiques, cette composition étant stable et pure, de caractéristiques très précisément définies et prévisibles.
Tout particulièrement, les inventeurs ont mis en évidence qu'un traitement thermique anhydre a pour effet d'induire une réorganisation progressive de la structure lamellaire "pseudo-cristalline et hydratée" d'une kérolite en réduisant les lacunes du réseau cristallin, et le relâchement des molécules d'eau piégées dans les espaces interfoliaires.
Un traitement thermique anhydre réalisé à 3000C permet effectivement d'induire des modifications notables sur la structure des kérolites (modifications décelables notamment par les méthodes d'analyse en infrarouges et en diffraction des rayons X) susceptible de conduire à l'obtention de nanoparticules talqueuses synthétiques.
Avantageusement et selon l'invention, on réalise donc le traitement thermique anhydre à une température de l'ordre de 500-5500C. A une telle température, on obtient des nanoparticules talqueuses synthétiques en 5 heures environ. Avantageusement et selon l'invention, pour obtenir des nanoparticules talqueuses synthétiques thermiquement stables, la durée de traitement est supérieure à 5 heures.
Avantageusement et selon l'invention, on réalise le traitement thermique anhydre à l'air ambiant, à l'intérieur d'un creuset, par exemple, en céramique ou en tout autre matériau adapté à la température de traitement.
Directement à l'issue d'un traitement thermique anhydre, on récupère une substance brute, solide de couleur blanche et correspondant à des agrégats plus ou moins grossiers formés de nanoparticules talqueuses synthétiques élémentaires, agrégées les unes aux autres. Avantageusement, à l'issue du traitement thermique anhydre, un broyage mécanique est prévu pour délier ces agrégats en nanoparticules talqueuses synthétiques élémentaires individualisées et obtenir ainsi une composition pulvérulente. La répartition dimensionnelle de ces nanoparticules talqueuses synthétiques élémentaires est sensiblement unimodale et monodisperse.
Selon un mode préféré de mise en œuvre, on utilise une composition de kérolites préalablement préparée à partir d'un gel silicométallique de formule chimique Si4Mg3O1^n1H2O, au moyen d'un traitement hydrothermal approprié.
Dans ce cas, le deuxième procédé de préparation comprend également et avantageusement une étape préliminaire lors de laquelle on prépare une composition de kérolites, laquelle sera soumise ultérieurement à un traitement thermique anhydre comme précédemment énoncé.
Avantageusement, on prépare ladite composition de kérolites à partir d'un gel silicométallique de formule Si4Mg3O11, n'H2O, auquel on a fait subir un traitement hydrothermal à pression d'eau saturante, de température comprise entre 1000C et 24O0C, pendant une durée d'un jour à quelques mois.
Le choix des paramètres, notamment de température et de durée, dudit traitement hydrothermal permet un certain contrôle sur la granulométrie des particules de talc synthétique qui seront finalement obtenues. Selon les paramètres choisis, les nanoparticules talqueuses synthétiques qui seront obtenues au final, auront une granulométrie allant pouvant varier de 10 nm à 1 μm, avec une répartition granulométrique sensiblement unimodale et monodisperse. Avantageusement, on prépare le gel silicométallique par coprécipitation, comme indiqué ci-dessus en référence au premier procédé de préparation, selon la réaction :
3MgCl2 4 Na2OSiO2 + 2HCl * [Si4Mg3O1^ n1H2O] + 8NaCl + (m-n'+ 1 )H2O mH2O -^=5"
m, n' et (m-n'+l) étant des nombres entiers positifs.
Avantageusement, la composition de kérolites directement issue du traitement hydrothermal dudit gel silicométallique est séchée puis broyée pour obtenir une composition pulvérulente avant de la soumettre audit traitement thermique anhydre. Pour ce faire, le séchage peut être réalisé au moyen d'une étuve ; par exemple, à une température de l'ordre de 6O0C, pendant au moins un à deux jours. Le broyage est réalisé avantageusement de façon mécanique ; par exemple avec un mortier, de préférence en agate pour éviter tout risque de contamination de la composition de kérolites.
Les similitudes structurelles existant entre des nanoparticules talqueuses synthétiques obtenues conformément à ce deuxième procédé de préparation et un talc naturel ont aussi été mises en évidence par des méthodes d'analyse en diffraction des rayons X et par absorption des infrarouges.
Par exemple, en diffraction des rayons X, la distinction entre des nanoparticules talqueuses synthétiques et un talc naturel, apparaît notamment dans la position du pic de diffraction correspondant au plan (001). Pour des nanoparticules talqueuses synthétiques obtenues selon le deuxième procédé de préparation, ce pic de diffraction se trouve à une distance comprise entre 9,40 Â et 9,68 Â -au lieu de 9,35 Â pour le talc naturel-.
Plus particulièrement, des nanoparticules talqueuses synthétiques obtenues selon le deuxième procédé de préparation sont caractérisées par une analyse en diffraction des rayons X qui conduit à un diffractogramme présentant des pics de diffraction caractéristiques suivants :
- un pic situé à 9,40-9,68 Â, correspondant à un plan (001) ;
- un pic situé à 4,50-4,60 Â, correspondant à un plan (020) ; - un pic situé à 3,10-3,20 Â, correspondant à un plan (003) ;
- un pic situé à 1,50-1,55 Â, correspondant à un plan (060).
Avantageusement, le pic de diffraction correspondant au plan (001) est situé à une distance de l'ordre de 9,40-9,43 Â. Avantageusement, le deuxième procédé de préparation permet d'obtenir des nanoparticules talqueuses synthétiques qui ont une granulométrie inférieure à 500 nm -notamment comprise entre 20 nm et 100 nm-. Ces nanoparticules talqueuses synthétiques ont en outre une distribution granulométrique sensiblement unimodale et monodisperse. Dans une deuxième variante, un matériau composite selon l'invention comprend, à titre de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques, des nanoparticules minérales phyllosilicatées lamellaires synthétiques, dites nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant, formées d'une interstratification entre : - au moins une phase minérale non gonflante, formé d'un empilement de feuillets élémentaires de type phyllogermanosilicate 2/1 et de formule chimique - (SixGei-x)4 M3θio(OH)2 -, et
- au moins une phase minérale gonflante, formée d'un empilement de feuillets élémentaires de type phyllogermanosilicate 2/1 et d'au moins un espace interfoliaire entre deux feuillets élémentaires consécutifs ; ladite phase minérale gonflante ayant pour formule chimique
- (Six Ge1-X)4 M3.ε O10 (OH)2, (M2+)ε' . nH2O -, dans lesdites formules chimiques : - M désignant au moins un métal divalent et ayant pour formule ; chaque y(i) représentant un nombre
Figure imgf000021_0001
- x étant un nombre réel de l'intervalle [0 ; 1], - ε et ε' se rapportant respectivement au déficit cationique des feuillets élémentaires de la phase gonflante, et aux cations présents dans l'(les) espace(s) interfoliaire(s),
- une analyse en diffraction des rayons X desdites nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant conduisant à l'obtention d'un diffractogramme présentant des pics de diffraction caractéristiques suivants :
- un plan (001) situé à une distance de l'ordre de 14-15 Â, représentatif de ladite phase minérale gonflante,
- des plans représentatifs de ladite phase minérale non gonflante : - un plan (001) situé à une distance de l'ordre de 9,60-10,50 Â ;
- un plan (020) situé à 4,50-4,60 À ;
- un plan (003) situé à 3,10-3,20 À ;
- un plan (060) situé à 1,50-1,55 À.
Dans les formules chimiques représentatives de phases minérales non gonflantes et des phases minérales gonflantes,
- (Six Ge1-X)4M3O10(OH)2 - et - (Six Ge1-X)4M3^ O10(OH)2, (M2+)ε' . nH2O -, des nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant, Si et Ge se réfèrent aux ions silicium et/ou aux ions germanium qui occupent les sites tétraédriques du réseau cristallin. M symbolise les cations métalliques divalents des sites octaédriques (par exemple Mg2+, Co2+, Zn2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+, Ni2+et/ou Cr2+).
Les smectites correspondent au groupe le plus diversifié des minéraux argileux 2/1. Au vu de leur structure, elles sont qualifiées de type T. O. T. (tétraèdre-octaèdre-tétraèdre) gonflant.
Elles sont en effet constituées par un empilement irrégulier de feuillets élémentaires de structure cristalline, dont le nombre varie de quelques unités à quelques dizaines d'unités ; chaque feuillet élémentaire étant constitué par l'association de deux couches de tétraèdres situées de part et d'autre d'une couche d'octaèdres.
La couche octaédrique des smectites est formée de deux plans d'ions O2" et OH" (dans la proportion molaire O2VOH" de 2: 1). De part et d'autre de cette couche médiane viennent s'agencer des réseaux bidimensionnels de tétraèdres dont un des sommets est occupé par un oxygène de la couche octaédrique, tandis que les trois autres le sont par des oxygènes sensiblement coplanaires. Dans les smectites naturelles, les sites tétraédriques sont généralement occupés par des ions Si4+ ou Al3+, et les sites octaédriques le sont le plus souvent par les cations Mg2+, Fe2+, Al3+ et/ou Fe3+. Une faible proportion des sites octaédriques et/ou tétraédriques n'est pas occupée et est responsable du déficit cationique du réseau cristallin formant les feuillets élémentaires.
Les smectites se caractérisent également par la présence, entre les feuillets élémentaires, d'espaces interfoliaires qui renferment de l'eau et des cations et qui forment la phase gonflante du minéral. Dans les smectites naturelles, ces cations interfoliaires sont généralement des ions Mg2+, Ca2+ et/ou Na+.
Cette structure particulière confère aux smectites la particularité de pouvoir former facilement des complexes lamellaires avec l'eau et avec de nombreuses molécules organiques, tels que le glycérol et l'éthylène glycol, qui s'insèrent dans l'espace interfoliaire. Egalement, les cations interfoliaires sont faiblement liés au reste du réseau et de ce fait sont susceptibles d'être échangés avec d'autres cations, avec plus ou moins de facilité. On parle de capacité d'échange cationique du minéral. Les nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant susmentionnées sont des nanoparticules minérales de structure et de capacité d'échange cationique rappelant celles des smectites naturelles, mais dont les caractéristiques structurelles, tels que cristallinité et ratio - phase gonflante/phase minérale non gonflante -, au vu des paramètres particuliers appliqués lors de leur préparation, peuvent être prévisibles et/ou relativement bien définies.
Ces nanoparticules d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant sont encore plus hydrophiles que les nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques, présentent une surface accessible encore plus importante, favorisant la dispersion dans la suspension de précurseurs de la matrice métallique lors de la formation du matériau composite comme décrit ci-après, et l'adsorption des nanoparticules sur les grains métalliques au cours de la croissance métallique, sans gêner cette croissance métallique.
TROISIÈME PROCÉDÉ DE PRÉPARATION Lesdites nanoparticules d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant sont préparées selon un troisième procédé de préparation caractérisé en ce qu'on réalise un traitement hydrothermal d'un gel silico/germano-métallique de formule chimique - (SixGeI.^ M3 On, n'H2θ -, à l'état liquide ; on réalise ledit traitement hydrothermal pendant une durée et à une température comprise entre 15O0C et 3000C, choisies en fonction des caractéristiques structurelles souhaitées pour lesdites nanoparticules d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant à préparer ; on réalise ledit traitement hydrothermal à une pression contrôlée de l'ordre de 16 bars et sous agitation ; pour une température et une durée de traitement hydrothermal déterminées, on réalise une adjonction complémentaire d'eau audit gel silico/germano-silicate de façon à ajuster le ratio eau/solide représentatif du mélange réactionnel à base de gel silico/germano-métallique à traiter, en fonction du rapport volumique - phase minérale gonflante/phase minérale non gonflante - souhaité pour les nanoparticules d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant à préparer.
Il est à noter que la publication « synthèse et stabilité des stévensites et talcs, magnésiens et nickélifères, entre 80 et 240 0C » A. Decarreau et al XP008075903, décrit un procédé permettant d'obtenir différents minéraux, stévensites, kérolites et talcs, la formation de chaque minéral dépendant strictement de la température. Aucun des minéraux obtenus par ce procédé ne présente diffractogramme comprenant un pic de diffraction pour un plan (001) représentatif d'une phase minérale gonflante, situé à une distance de l'ordre de 14 à 15 angstrôms. Ce document ne décrit pas des compositions d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant, ni un procédé permettant d'obtenir de telles compositions.
Dans le troisième procédé de préparation, le produit silico/germano-métallique de départ, qui est directement soumis au traitement hydrothermal, se présente sous la forme d'un gel, c'est-à-dire une substance fortement hydratée, ayant une consistance gélatineuse. Ce gel présente un comportement thixotropique et est rendu liquide par une simple agitation mécanique. Dans ce troisième procédé de préparation, on prépare avantageusement le gel silico/germano-métallique de départ par une réaction de coprécipitation comme décrit ci-dessus en référence au premier procédé de préparation.
Dans le troisième procédé de préparation, l'adjonction complémentaire d'eau permet aussi de prévenir la calcination de la fraction solide (le gel de départ, le produit final, les éventuels produits intermédiaires). La nécessité de cette adjonction d'eau et la quantité d'eau minimale à ajouter pour éviter la calcination dépendent essentiellement du degré d'hydratation du gel initial, de la température de traitement ainsi que de la durée de ce traitement. Néanmoins, la proportion eau/solide choisie pour effectuer le traitement hydrothermal n'est pas anodine, elle influe sur certaines des propriétés physico-chimiques et structurelles des nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant qui seront obtenues au final. En particulier, cette proportion influe de manière significative sur la cristallinité du produit et sur la proportion - phase minérale gonflante/phase minérale non gonflante -, et donc in fine notamment sur la capacité d'échange cationique du produit obtenu, ainsi que sur la capacité de celui-ci à être chargé en diverses molécules et substances.
La durée du traitement hydro thermal, qui peut aller d'un jour à plusieurs jours, a une grande influence notamment sur la cristallinité du minéral synthétique obtenu au final.
Avantageusement dans le troisième procédé de préparation, on effectue le traitement hydrothermal dudit gel silico/germano-métallique au moyen d'un autoclave. De préférence, on utilise un autoclave en acier à chemisage intérieur en polytétrafluoroéthylène (Téflon®), en titane ou en acier inoxydable. Avantageusement, on réalise ledit traitement hydrothermal à une température de l'ordre de 22O0C, pour une durée de l'ordre de 15 jours. Selon une variante de réalisation, on réalise ledit traitement hydrothermal à une température de l'ordre de 3000C, pour une durée de l'ordre de 5 heures.
Pour réaliser le traitement hydrothermal sous agitation, on peut par exemple disposer un barreau aimanté à l'intérieur de l'autoclave. Au terme de ce traitement hydrothermal, on obtient une composition minérale synthétique se présentant sous la forme d'une solution colloïdale renfermant lesdites nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant. Ces nanoparticules minérales synthétiques, en solution dans l'eau, peuvent se trouver soit dans un état plus ou moins individualisé les unes par rapport aux autres, soit sont organisées en agrégats plus ou moins grossiers formés de nanoparticules élémentaires d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant, agrégées les unes aux autres.
Avantageusement, à l'issue du traitement hydrothermal, on récupère une composition colloïdale que l'on peut utiliser telle qu'elle, ou, en variante soumettre à une étape de séchage suivie d'une étape de broyage mécanique, comme indiqué ci-dessus en référence au premier procédé de préparation, pour obtenir une composition solide comprenant des nanoparticules d'inter stratifié T.O.T.- T. O. T. gonflant individualisées.
Compositions obtenues par le troisième procédé de préparation Parmi les compositions de nanoparticules d'inter stratifié
T. O. T. -T. O. T. gonflant pouvant être obtenues par ce troisième procédé de préparation et utilisées dans un matériau composite selon l'invention, on peut citer à titre d'exemple particulier, des compositions d'inter stratifié talc-stévensite synthétique dans lesquelles les nanoparticules minérales forment une interstratification entre : un empilement de feuillets de talc, de formule - Si4Mg3θio(OH)2 -, qui forme la phase minérale non gonflante, et
- un empilement de feuillets de type stévensite, de formule
- (Si4Mg3_ε O10(OH)2, (Mg2+)ε' • nH2O -, qui forme la phase minérale gonflante. Egalement, le troisième procédé de préparation permet d'obtenir des compositions de nanoparticules d' interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant de compositions analogues à une composition d'interstratifiée talc-stévensite, par exemple, des compositions dites "germanifères", dans lesquelles au moins une partie des cations Si4+ des sites tétraédriques est substituée par des cations Ge4+. De même, il peut s'agir de compositions dites "dérivées" ou dites "fonctionnalisées", par exemple lorsque les cations Mg2+ des sites octaédriques, en proportions variables, sont remplacés par d'autres cations divalents en vue d'obtenir des particules aux propriétés physiques, notamment optique et/ou électrique et/ou magnétique, améliorées par rapport à des particules de talc naturel.
Des analyses réalisées notamment en diffraction des rayons X ont permis aux inventeurs de caractériser les phases minéralogiques des nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant obtenues, et confirment que le traitement hydrothermal appliqué directement sur un gel silicométallique de formule chimique - Si4 Mg3θπ, n'H2θ - (c'est-à-dire un gel silico/germano-métallique de formule chimique - (SixGeI-^ Ms On, n'H2θ -, dans laquelle x est égal à 1, et M désigne le magnésium) conduit à l'obtention d'une composition colloïdale comprenant des nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant de type talc- stévensite.
D'autre part, ces analyses ont permis d'établir l'influence du ratio eau/solide représentatif du mélange réactionnel à base de gel silico/germano- métallique, sur la proportion de la phase gonflante dans le minéral synthétique préparé. Pour une température et un temps de traitement hydrothermal donnés, plus ce ratio augmente et plus la part qui correspond à la phase gonflante diminue.
Ainsi, avantageusement, les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques d'un matériau composite selon l'invention sont choisies dans le groupe formé de :
1) des nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques telles que définies ci-dessus, notamment des nanoparticules talqueuses synthétiques telles que définies ci-dessus,
2) des nanoparticules d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant telles que définies ci-dessus.
L'invention s'étend également à un matériau composite caractérisé en ce que lesdites nanoparticules phyllosilicatées synthétiques sont obtenues par un procédé de préparation choisi parmi le premier procédé de préparation, le deuxième procédé de préparation et le troisième procédé de préparation mentionnés ci-dessus. Avantageusement et selon l'invention, le matériau composite comprend une proportion volumique de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques inférieure à 20 % (et supérieure à 0 %).
Dans un matériau selon l'invention, les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques sont réparties individualisées et dispersées au sein de la matrice métallique, plus particulièrement au sein des grains de la matrice métallique.
Avantageusement et selon l'invention, la matrice métallique est constituée par un métal choisi parmi Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Cu, W, Mo, Zn, Au, Ag, Pt, Sn, par un composé intermétallique ou un alliage de plusieurs métaux choisis parmi les métaux précités, ou par un alliage d'un ou plusieurs desdits métaux avec un métalloïde.
La matrice métallique peut être constituée par un métal choisi parmi les métaux précités, seul, ou sous forme de composé intermétallique, ou sous forme d'un alliage de plusieurs métaux, ou sous forme d'un alliage avec un métalloïde. Les matériaux composites dont la matrice est le nickel, un alliage métallique de nickel avec d'autres métaux, ou un alliage de nickel avec un métalloïde (par exemple NiP) sont particulièrement intéressants.
Un revêtement constitué par un matériau composite selon l'invention peut être déposé par voie électrolytique sur le substrat à traiter. Le procédé de dépôt sur un substrat d'un revêtement constitué par le matériau composite selon l'invention consiste à effectuer un dépôt électrolytique en utilisant une solution de précurseurs de la matrice métallique du revêtement. Il est caractérisé en ce que la solution de précurseurs contient en outre des nanoparticules phyllosilicatées synthétiques. Ainsi, l'invention s'étend à un procédé de dépôt sur un substrat d'un revêtement constitué par un matériau composite comprenant une matrice métallique au sein de laquelle sont réparties des particules minérales phyllosilicatées lamellaires, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer un dépôt électrolytique en utilisant une solution de précurseurs de la matrice métallique du revêtement qui contient en outre des nanoparticules, dites nanoparticules phyllosilicatées synthétiques, minérales silico/germano-métalliques lamellaires synthétiques hydrophiles présentant une dimension moyenne comprise entre 10 nm et 1 μm.
Dans un mode de réalisation, le procédé de dépôt est mis en œuvre par voie chimique, par mise en contact de la surface du substrat à revêtir avec la solution contenant les précurseurs de la matrice métallique, les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques, ainsi qu'un composé agissant comme catalyseur pour l'oxydoréduction des précurseurs de la matrice métallique du revêtement. Avantageusement et selon l'invention, ledit catalyseur est déposé préalablement sur le substrat. Dans un autre mode de réalisation, le procédé de dépôt est mis en œuvre par voie électrochimique dans une cellule électrochimique dans laquelle ledit substrat à revêtir constitue la cathode et l'électrolyte est une solution de précurseurs de la matrice métallique du revêtement contenant en outre les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques. Avantageusement et selon l'invention, l'anode de la cellule électrochimique est constituée par le métal formant la matrice ou d'une anode insoluble.
Dans un procédé de dépôt selon l'invention, avantageusement, les précurseurs de la matrice métallique sont choisis parmi les composés ioniques, complexés ou non, réductibles en solution par voie chimique ou par apport d'électrons. A titre d'exemple, on peut citer les sels tels que les chlorures, les sulfates, les sulfamates, ainsi que les complexes tels que les citrates et les acétates.
La solution de précurseurs contient en outre un ou plusieurs composés permettant d'ajuster le pH à la valeur souhaitée, ainsi que les particules de talc modifié. Lorsqu'un revêtement comprenant une matrice de nickel est déposé par voie électrochimique, l'électrolyte est une solution contenant au moins un sel de nickel choisi parmi le sulfate de nickel et le chlorure de nickel, un agent régulateur du pH et un électrolyte support. Un régulateur de pH particulièrement préféré est l'acide borique ; à pH 4,5, il forme un complexe avec le nickel en libérant un H+ et il équilibre ainsi la réduction des ions H+ à la cathode. Comme exemple d'électrolyte support, on peut citer par exemple le sulfate de sodium, le sulfate de magnésium et le bromure de sodium.
Lorsqu'un revêtement comprenant une matrice de nickel- phosphore est déposé par voie électrochimique, on peut utiliser un électrolyte contenant au moins un sel de nickel choisi parmi le sulfate et le chlorure de nickel, un agent régulateur de pH, un précurseur de phosphore et un électrolyte support. H3PO3 est avantageusement choisi précurseur de phosphore. Le régulateur de pH peut être choisi parmi H3PO4 et H3BO3, H3PO4 étant particulièrement préféré. Comme exemple d'électrolyte support, on peut citer par exemple le sulfate de sodium, le sulfate de magnésium et le bromure de sodium.
Lorsqu'un revêtement comprenant une matrice de zinc-nickel est déposé par voie électrochimique, on peut utiliser des électrolytes basiques ou acides contenant au moins un sel de nickel choisi parmi le sulfate et le chlorure de nickel, au moins un oxyde de zinc ou un sel de zinc tel que le chlorure de zinc, un complexant du type aminé et un électrolyte support tel que par exemple KCl.
Le procédé est mis en œuvre dans les conditions habituelles des dépôts électrochimiques. La durée de l'électrolyse dépend notamment de l'épaisseur souhaitée pour le revêtement. La température dans la cellule électrochimique est avantageusement comprise entre O0C et 9O0C et la densité de courant appliquée à la cellule est comprise entre 0,1 et 10 A. dm" . On utilise de préférence une cellule électrochimique dans laquelle l'anode est du type anode soluble, constituée par le métal à déposer.
Par ailleurs, avantageusement dans un procédé de dépôt selon l'invention, on utilise une proportion de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques telle que la proportion volumique de ces nanoparticules phyllosilicatées synthétiques dans le revêtement obtenu est inférieure à 20 % (et bien sûr supérieure à 0 %).
Le substrat peut être constitué par un matériau intrinsèquement conducteur (par exemple un métal ou un alliage) utilisé à l'état massif ou sous forme de revêtement sur un support quelconque. Le substrat peut en outre être constitué par un matériau isolant ou semi-conducteur (par exemple un polymère ou une céramique) dont la surface à traiter a été rendue conductrice par une étape préliminaire de métallisation.
Les propriétés mécaniques des revêtements composites ont été testées avec un tribomètre du type pion-disque dans lequel le pion (qui constitue le corps antagoniste) est une bille d'acier 100C6 qui a une dureté de 1000 Hv. Lorsque l'on utilise un disque constitué uniquement de nickel, l'adhérence du nickel sur l'acier se manifeste par un coefficient de frottement élevé et un taux d'usure important de la bille d'acier. Lorsque le disque utilisé est constitué par un matériau composite comprenant une matrice de nickel et des nanoparticules phyllosilicatées synthétiques selon l'invention, le coefficient de frottement et le taux d'usure sont fortement diminués.
L'invention concerne également un matériau composite, un substrat, un revêtement lubrifiant et un procédé de dépôt caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci- après.
D'autres buts, avantages caractéristiques de l'invention apparaissent à la lecture de la description et des exemples qui suivent, donnés à titre non limitatif, et qui se réfèrent aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 est un schéma illustrant un revêtement formé d'un matériau composite conforme à l'état de la technique,
- la figure 2 montre trois spectres d'absorption enregistrés dans le moyen infrarouge, et qui correspondent à trois compositions de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques différentes susceptibles d'être incorporées dans un matériau composite selon l'invention, - la figure 3 correspond à un agrandissement des spectres précédents, au niveau de la zone comprise entre 3850 cm"1 et 3500 cm"1,
- la figure 4 montre la zone comprise entre 6000 cm"1 à 8000 cm"1 de trois spectres d'absorption enregistrés dans le proche infrarouge, correspondant aux trois compositions de la figure 1 , - les figures 5 et 6 montrent les diffractogrammes RX correspondant aux trois compositions de la figure 2, et à une quatrième composition particulière de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques,
- les figures 7a, 7b, et 7c représentent des micrographies prise en microscopie électronique à balayage d'une composition de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques susceptibles d'être incorporées dans un matériau composite conforme à l'invention,
- les figures 8 et 9 correspondent à des micrographies prises en microscopie électronique en transmission, illustrant la taille nanométrique et la distribution sensiblement unimodale et monodisperse, des nanoparticules phyllosilicatées synthétiques de trois compositions particulières,
- la figure 10 montre les diffractogrammes correspondant à l'analyse en diffraction des rayons X effectuée sur quatre compositions de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant, préparées selon le troisième procédé de préparation avec des proportions eau/solide différentes, lors du traitement hydrothermal,
- les figures l ia à Hd correspondent à des analyses en diffraction des rayons X effectuées sur des lames orientées saturées en éthylène glycol et calcium, préparées avec les quatre compositions précédentes de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant,
- la figure 12 montre trois spectres d'absorption enregistrés dans le moyen infrarouge, et qui correspondent à trois compositions de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant particulières,
- les figures 13a et 13b correspondent à des agrandissements des spectres de la figure 1 , réalisés au niveau de zones particulières,
- la figure 14 correspond à des spectres d'absorption enregistrés en proche infrarouge, illustrant la conversion par un traitement thermique anhydre d'une composition de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant selon l'invention en une composition de nanoparticules talqueuses synthétiques, - la figure 15 montre trois diffractogrammes correspondant à l'analyse en diffraction des rayons X des compositions minérales objets des figures 12, 13a, 13b et 14, et en confirme les observations,
- les figures 16 et 17 sont des représentations schématiques qui illustrent respectivement l'organisation cristalline de nanop articule s talqueuses synthétiques obtenues après une conversion par un traitement thermique anhydre de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant obtenues selon le troisième procédé de préparation, et l'organisation cristalline de nanoparticules d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant obtenues selon le troisième procédé de préparation, - la figure 18 montre trois spectres d'absorption enregistrés dans le moyen infrarouge, et qui correspondent à trois compositions minérales de nanoparticules talqueuses synthétiques particulières,
- les figures 19a et 19b correspondent à des agrandissements des spectres de la figure 18, au niveau de zones particulières, - la figure 20 montre trois spectres d'absorption enregistrés en proche infrarouge, correspondant à ces trois compositions minérales de nanoparticules talqueuses synthétiques,
- la figure 21 montre les diffractogrammes correspondant à l'analyse en diffraction des rayons X effectuée sur trois autres compositions minérales de nanoparticules talqueuses synthétiques particulières,
- la figure 22 montre les diffractogrammes comparatifs entre une composition de nanoparticules talqueuses synthétiques préparée selon le deuxième procédé de préparation, et un échantillon de talc naturel, également de taille nanométrique, mais obtenu par un broyage mécanique intensif, - la figure 23 est un schéma illustrant un revêtement formé d'un matériau composite selon l'invention.
La figure 1 représente un revêtement formé d'un matériau composite conforme à WO 2004/063428 comprenant des particules 2 de talc naturel modifiées incorporé dans une matrice métallique formée de grains 3, cette matrice métallique étant déposée sur un substrat 4. Comme on le voit, les particules 2 s'étendent sensiblement selon une direction normale à la surface du substrat 4, et la taille de ces particules 2 est du même ordre de grandeur que la taille des grains métalliques 3. En conséquence, les particules 2 de talc naturel sont intercalées entre les grains, gênent la croissance des grains métalliques au cours du dépôt, et s'étendent en saillie à la surface libre du revêtement, entraînant une grande rugosité de ce dernier après l'étape de dépôt. En outre, l'incorporation de talc naturel induit celle d'impuretés.
EXEMPLE 1 : préparation de nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques (phyllosilicatées) selon le premier procédé de préparation
A/ - PROTOCOLE GÉNÉRAL D'UN PREMIER PROCÉDÉ DE PRÉPARATION D'UNE COMPOSITION DE NANOPARTICULES SILICO/GERMANO- MÉTALLIQUES SYNTHÉTIQUES :
1/ - Préparation d'un gel silico/germano-métallique
Un gel silico/germano-métallique est préparé par une coprécipitation selon l'équation de réaction suivante :
+2HCl + mH2O+
Figure imgf000034_0001
Figure imgf000034_0002
[(SixGe7-X)4M3O11, n'H2O] + 8NaCl +(m-n'+ I)H2O
Cette réaction de coprécipitation permet d'obtenir un gel silico/germano-métallique hydraté ayant la stœchiométrie d'un talc naturel (4 Si/Ge pour 3 M). Elle est mise en œuvre à partir de :
1. une solution aqueuse de métasilicate de sodium penta-hydraté ou une solution aqueuse de métagermanate de sodium, ou un mélange de ces deux solutions dans les proportions molaires x:(\-x),
2. une solution de chlorure de métal, préparée avec un ou plusieurs sels de métal (sous la forme de cristaux hygroscopiques) dilué(s) dans de l'eau distillée, et
3. une solution d'acide chlorhydrique IN.
La préparation du gel silico/germano-métallique est réalisée en suivant le protocole suivant : 1. on mélange les solutions d'acide chlorhydrique et la solution de chlorure de métal (ou de métaux),
2. on ajoute ce mélange à la solution de métasilicate et/ou de métagermanate de sodium ; le gel de coprécipitation se forme instantanément, 3. on récupère le gel après centrifugation (au minimum entre 3000 et 7000 tours par minute, pendant 15 minutes) et élimination du surnageant (solution de chlorure de sodium formée), 4. on lave le gel avec de l'eau distillée ou osmosée, ou avec de l'eau du robinet (au minimum deux cycles de lavage/centrifugation sont nécessaires). A l'issue de cette première phase, on obtient un gel silico/germano-métallique (SixGeZ-X)4M3O11J n1H2O), fortement hydraté et de consistance gélatineuse. Ce gel présente un comportement thixotropique, c'est-à-dire qu'il passe d'un état visqueux à un état liquide lorsqu'on l'agite, puis retrouve son état initial après un certain temps de repos. 2/ - Traitement hydrothermal du gel silico/germano- métallique
Le gel silico/germano-métallique tel que précédemment obtenu est soumis à un traitement hydrothermal, à une température de 3000C à 5000C. Pour ce faire :
1. on place le gel, sous forme liquéfiée, dans un réacteur/autoclave ; éventuellement on ajuste le rapport liquide/solide à une valeur de l'ordre de 0,83 (la quantité de liquide étant exprimée en cm3, et la quantité de solide, en grammes), 2. le réacteur/autoclave est placé à l'intérieur d'une étuve, à la température de réaction (établie entre 3000C et 5000C), pendant toute la durée du traitement.
Les inventeurs ont pu constater que de la température du traitement hydrothermal dépendait la granulométrie des particules. Plus cette température est faible, plus les particules synthétisées sont petites (de l'ordre de 10 nanomètres à 3000C, jusqu'à 1 μm pour une température de l'ordre de 5000C). Egalement, les inventeurs ont pu noter que de la durée du traitement dépendaient essentiellement la cristallinité et la stabilité thermique des particules synthétisées. Le traitement hydrothermal doit être de durée suffisante pour permettre une conversion de la masse gélatineuse initiale en un matériau solide cristallisé et thermiquement stable.
Au cours du traitement hydrothermal, le gel silico/germano- métallique perd progressivement sa consistance gélatineuse pour adopter une structure cristalline particulaire dont la cristallinité augmente avec le temps. Cette cristallisation progressive de la matière peut être constatée par une analyse en diffraction des rayons X, et se traduit sur les diffractogrammes correspondants par l'apparition de pics caractéristiques qui s'affinent et s'intensifient tout au long du traitement.
A l'issue de ce traitement hydrothermal, on obtient une composition synthétique colloïdale comprenant des nanoparticules phyllosilicatées (silico/germano-métalliques) lamellaires synthétiques cristallines pures en suspension dans l'eau. Au terme de ce traitement hydrothermal, on peut utiliser la composition colloïdale obtenue directement ou, en variante, réaliser un traitement ultérieur, notamment :
3. le contenu du réacteur est filtré pour en récupérer la phase solide, 4. on sèche la composition solide à l'étuve à 6O0C, pendant 1 jour,
5. une fois sèche, la composition solide est broyée avec un mortier en agate.
On obtient alors au final une composition solide divisée dont la couleur est fonction de la nature du ou des chlorure(s) de métal utilisé(s) pour la préparation du gel silico/germano-métallique (et également, le cas échéant, des proportions respectives de ces chlorures de métal).
B/ - ANALYSE ET CARACTERI SATION STRUCTURELLES DE NANOPARTICULES OBTENUES :
Les résultats d'analyse de différentes compositions synthétiques obtenues en suivant le protocole précédemment exposé sont ci-après rapportés. Ces résultats confirment non seulement que le premier procédé de préparation permet effectivement d'aboutir à la formation de nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques lamellaires minérales (phyllosilicatées) ayant des caractéristiques structurelles (notamment lamellarité et cristallinité) très similaires à celles des talcs naturels. Ils montrent aussi que, notamment par le choix de la température et de la durée de mise en œuvre, le premier procédé de préparation permet de façon extrêmement simple de synthétiser des nanoparticules minérales phyllosilicatées (silico/germano-métalliques) lamellaires synthétiques, stables et pures, ayant une taille et des caractéristiques cristallines définies et prévisibles, et qui donc en particulier peuvent être adaptées pour entrer dans la composition d'un matériau composite selon l'invention apte à former un revêtement lubrifiant. Les analyses ont notamment été réalisées par spectroscopie infrarouge en transmission, par diffraction des rayons X et par observations en microscopie électronique. Les données recueillies sont présentées aux figures 2 à 8 annexées et sont ci-après commentées.
1/ - Analyse en infrarouge En infrarouge, à titre de référence, il est connu que les bandes de vibration caractéristiques d'un talc naturel sont les suivantes (avec une résolution de 4 cm 1) :
- 3678 cm"1 : vibration de la liaison Mg3-OH ;
- 1018 cm"1 : vibration de la liaison Si-O-Si ; - 669 cm"1 : vibration de la liaison Mg-O-Si ;
- 7185 cm"1 : vibration de la liaison Mg3-OH.
Les figures 2 à 4 présentent les résultats d'analyses réalisées respectivement en moyen infrarouge et en proche infrarouge, sur les trois compositions synthétiques suivantes : - une composition de nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques de formule Si4Mg3θio(OH)2, préparée selon le premier procédé de préparation (avec pour cation octaédrique, Mg ), avec un traitement hydrothermal de 3000C pendant 3 jours (sur les figures, cette composition est référencée : PS Mg 3000C),
- une composition de nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques de formule Si4Ni3θio(OH)2, préparée selon le premier procédé de préparation (avec pour cation octaédrique, Ni ), avec un traitement hydrothermal de 3000C pendant 3 jours (sur les figures, cette composition est référencée : PS Ni 3000C),
- une composition de nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques de formule Si4(Cθo,5Nio,5)3θio(OH)2, préparée selon le premier procédé de préparation (avec pour cations octaédriques, Co + Ni dans des proportions équimolaires), avec un traitement hydrothermal de 3000C pendant 3 jours (sur les figures, cette composition est référencée : PS Co Ni 3000C).
L'acquisition des spectres infrarouge a été réalisée avec un spectromètre Nicolet 510-FTIR sur un domaine de 4000 à 400 cm"1. Le spectre obtenu dans le moyen infrarouge (figures 1 et 2) montre que la composition synthétique -PS Mg 3000C- est une composition minérale structurellement très similaire à un talc naturel. En particulier, ceci se traduit par la présence des pics représentatifs des vibrations des liaisons Mg3-OH (3678 cm"1), Si-O-Si (1018 cm"1) et Mg-O-Si (669 cm"1). Les résultats obtenus des mesures effectuées en réflexion diffuse dans le proche infrarouge et dont la figure 4 en montre un agrandissement de la zone comprise entre 8000 cm"1 et 6000 cm"1, permettent également de constater la présence d'un pic particulièrement prononcé à 7185 cm"1. Ce pic situé à 7185 cm"1 fait également partie des quatre pics de référence des talcs naturels. Le pic à 7265 cm"1, situé à proximité de ce pic de référence, reflète une légère hydratation des nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques.
S'agissant des deux autres compositions synthétiques qui sont également données en exemple (PS Ni 3000C / PS Co Ni 3000C), leurs spectres d'absorption en infrarouge présentent de nombreuses similitudes avec celui de la composition synthétique PS Mg 3000C, à commencer par la présence de quatre pics qui chevauchent ou qui sont à proximité immédiate des quatre pics de référence d'un talc naturel.
Ces similitudes de spectres infrarouges traduisent une grande similitude structurelle existant entre les nanoparticules minérales phyllosilicatées (silico/germano-métalliques) lamellaires synthétiques des compositions synthétiques obtenues selon le premier procédé de préparation, avec un talc naturel. Les éventuels décalages qu'on peut observer pour certains pics (par exemple, au niveau de la zone comprise entre 7300 cm"1 et 7000 cm"1) résultent essentiellement de la différence de taille entre les cations octaédriques du réseau cristallin. 21 - Analyses en diffraction des rayons X
En diffraction des rayons X, le talc naturel est connu pour présenter quatre pics de diffraction caractéristiques :
- pour le plan (001), un pic situé à une distance de 9,35 Â ;
- pour le plan (020), un pic situé à 4,55 Â ; - pour le plan (003), un pic situé à 3,14 Â ;
- pour le plan (060), un pic situé à 1 ,52 Â.
Les diffractogrammes RX ont été enregistrés sur un appareil XPERT-MPD (PanAnalytical).
Le pas de mesure 2Θ est de 0,01 ° avec un temps d'accumulation de 2 sec/pas. La tension d'accélération est de 40 kV, l'intensité de 55 mA. La relation de Bragg donnant l'équi distance structurale est :
Figure imgf000039_0001
La figure 5 présente les résultats d'analyses réalisées sur les trois mêmes compositions que précédemment citées : - Si4Mg3Oi0(OH)2, référencée : PS Mg 3000C
- Si4Ni3Oi0(OH)2, référencée : PS Ni 3000C,
- Si4(Co0,5Ni0,5)3Oio(OH)2, référencée : PS Co Ni 3000C.
Egalement, la figure 6 présente un diffractogramme RX d'une composition de nanop articule s de formule Ge4Fe3Oi0(OH)2 préparées conformément au premier procédé de préparation.
Ces analyses confirment ce qui a été observé en spectroscopie infrarouge. Il existe une grande similitude structurelle entre les nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques lamellaires obtenues comme indiqué ci- dessus et des particules de talc naturel. En particulier, les pics de diffraction qui correspondent aux plans (020), (003) et (060) ont des positions qui coïncident parfaitement avec celles des pics de diffraction de référence pour le talc naturel.
Seule la position des pics de diffraction du plan (001) diffère légèrement de la position du pic de référence (9,57-9,64 Â, au lieu de 9,35 Â). Cet écart de valeurs s'explique essentiellement :
- par une taille granulométrique nanométrique des nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques lamellaires, contrairement à celle des talcs naturels, - par une très légère hydratation résiduelle des nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques lamellaires et,
- éventuellement, par la nature des cations octaédriques du réseau cristallin.
Cependant, il faut noter que l'écart qui résulte de l'hydratation résiduelle diminue avec des temps de réaction plus longs et un séchage plus poussé. Enfin, la largeur à mi-hauteur des pics des plans (001), (020),
(003) et (060) témoigne de la bonne cristallinité des nanoparticules silico/germano- métalliques synthétiques lamellaires.
Par ailleurs, les nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques obtenues diffèrent d'un talc naturel par le fait qu'elles sont hydrophiles, ce qui est constaté visuellement par une simple mise en contact des nanoparticules avec l'eau.
A noter que, pour le diffractogramme RX représentatif de des nanoparticules Ge4Fe3θio(OH)2 (figure 6), la forte intensité du pic de diffraction correspondant au plan (003) est en partie due à une contamination par l'oxyde de germanium.
3/ - Observations microscopiques et appréciation de la granulométrie des nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques lamellaires :
Compte tenu de la grande finesse des poudres que peuvent constituer les compositions synthétiques ainsi obtenues, la taille et la distribution granulométrique des nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques lamellaires (phyllosilicatées) qui les composent ont été appréciées par observation en microscopie électronique à balayage et à effet de champ et en microscopie électronique en transmission. Les micrographies présentées en figures 7a, 7b, 7c, 8, et 9, ont été prises lors de certaines de ces observations. Les figures 7a, 7b et 7c se rapportent à l'observation d'une composition de nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques (phyllosilicatées), qui peuvent être qualifiées de nanoparticules talqueuses synthétiques, préparées avec un traitement hydrothermal de 3000C, d'une durée de 3 jours, de formule Si4Mg3θio(OH)2. La figure 8 se rapporte à l'observation d'une composition de nanoparticules silico-métalliques synthétiques préparées avec un traitement hydrothermal de 3000C, d'une durée de 3 jours, de formule Si4Ni3θio(OH)2.
On constate que les nanoparticules sont parfaitement lamellaires, pures, et que la granulométrie des nanoparticules élémentaires varie entre 20 nm et 100 nm.
Les clichés des figures 7a et 8, à cause de la densité des nanoparticules, donnent un aperçu trompeur d'une agglomération des nanoparticules les unes aux autres. En réalité, les nanoparticules élémentaires sont dans un état individualisé. Eventuellement, une certaine humidité résiduelle pourrait expliquer l'éventualité d'une certaine cohésion entre ces nanoparticules.
La figure 9 se rapporte à l'observation d'une composition de nanoparticules silico-métalliques synthétiques de formule Si4Mg3θio(OH)2, obtenues après un traitement hydrothermal de 4000C, d'une durée de 30 jours.
L'observation de la micrographie correspondante montre que les nanoparticules phyllosilicatées (silico/germano-métalliques) lamellaires synthétiques ont une dimension moyenne de l'ordre du micromètre.
EXEMPLE 2 : préparation de nanoparticules d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant selon le troisième procédé de préparation puis de nanoparticules talqueuses synthétiques à partir de ces nanoparticules d'interstratifié T.O.T.-T.O.T. gonflant. A/ - PROTOCOLE GENERAL DE SYNTHESE D'UNE
COMPOSITION D'INTERSTRATIFIE T.O.T.-T.O.T. GONFLANT SELON LE TROISIÈME PROCÉDÉ DE PRÉPARATION :
1/ - Préparation d'un gel silico/germano-métallique Le gel silico/germano-métallique est préparé par coprécipitation comme mentionné ci-dessus dans l'exemple 1.
2/ - Traitement hydrothermal du gel silico/germano- métallique
Le gel silico/germano-métallique tel que précédemment obtenu est soumis à un traitement hydrothermal, à une température de 15O0C à 3000C.
Pour ce faire :
1. on place le gel, sous forme liquéfiée, dans un réacteur (de 40 ml) ; éventuellement on ajuste le rapport eau/solide, notamment pour éviter la calcination de la fraction solide) ; afin d'éviter tout problème de fuite du réacteur, celui-ci est rempli au 2/3 de son volume,
2. le réacteur est placé à l'intérieur d'une étuve, à la température de réaction (établie entre 15O0C et 3000C), pendant toute la durée du traitement.
Au cours du traitement hydrothermal, le gel silico/germano- métallique perd progressivement sa consistance initiale pour devenir une composition solide particulaire dont la cristallinité augmente avec le temps. Cette cristallisation progressive de la matière peut être constatée par une analyse en diffraction des rayons X et se traduit, sur les diffractogrammes correspondants, par l'apparition de pics caractéristiques qui s'affinent et s'intensifient tout au long du traitement.
A l'issue de ce traitement hydrothermal, on obtient une composition colloïdale comprenant des nanoparticules d'inter stratifié T.O.T.-T.O.T. gonflant, en solution dans l'eau. Au terme de ce traitement hydrothermal, on peut utiliser la composition colloïdale obtenue directement, ou, en variante, réaliser le post-traitement suivant :
3. le contenu du réacteur est filtré pour en récupérer le filtrat solide, 4. on sèche le filtrat à l'étuve à 6O0C, pendant 1 jour,
5. une fois sec, le filtrat est broyé au mortier en agate.
On obtient alors au final une composition solide divisée dont la couleur est fonction de la nature du ou des chlorure(s) de métal utilisé(s) pour la préparation du gel silico/germano-métallique (et également, le cas échéant, des proportions respectives de ces chlorures de métal).
Par exemple, les nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant de type :
- Si4Mg3O10(OH)2 / Si4Mg3-ε O10(OH)2, (Mg2+)ε' . nH2O, sont de couleur blanche,
- Si4Ni3O10(OH)2 / Si4 Ni3.ε O10(OH)2, (Ni2+)ε' • nH2O, sont de couleur verte,
- Si4Co3O10(OH)2 / Si4Co3-ε O10(OH)2, (Co2+)ε' • nH2O, sont de couleur rosé,
- Si4Cu3O10(OH)2 / Si4Cu3.ε O10(OH)2, (Cu2+)ε' • nH2O, sont de couleur bleue,
- Si4Mn3O10(OH)2 / Si4 Mn3.ε O10(OH)2, (Mn2+)ε' . nH2O, sont de couleur chocolat,
- Si4 Fe3O10(OH)2 / Si4 Fe3.ε O10 (OH)2, (Fe2+)ε' « nH2O, sont de couleur grise à rouille,
- Si4 Zn3O10(OH)2 / Si4 Zn3.εO10 (OH)2, (Zn2+)ε' • nH2O, sont de couleur blanche.
B/ - ANALYSE ET CARACTERISATION STRUCTURELLES Différentes compositions de nanoparticules d'interstratifié
T. O. T. -T. O. T. gonflant obtenues en suivant le protocole précédemment exposé, ont été analysées notamment en diffraction des rayons X.
Les résultats recueillis sont ci-après présentés et commentés.
Ils concernent quatre compositions particulières de nanoparticules d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant. En l'occurrence, il s'agit de compositions de nanoparticules d'interstratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant de type talc-stévensite préparées avec un traitement hydrothermal à 22O0C, à 16 bars et pendant 21 jours. Ces quatre compositions se distinguent les unes des autres par les proportions eau/solide qui ont été utilisées lors du traitement hydrothermal des gels silicométalliques - Si4 Mg3θπ, n'H2θ -.
Ces compostions sont désignées RlOO, R50, R25 et RIO en référence à la proportion eau/solide utilisée (la quantité d'eau étant exprimée en litre et la quantité de solide, en kg).
En particulier, ces proportions ont été obtenues avec les mélanges suivants :
- composition RlOO : 30 ml d'eau pour 300 mg de solide (fraction solide du gel), - composition R50 : 20 ml d'eau pour 400 mg de solide,
- composition R25 : 20 ml d'eau pour 800 mg de solide,
- composition RIO : 10 ml d'eau pour 1000 mg de solide.
1/ - Analyses en diffraction des rayons X
La figure 1 présente les résultats d'analyses réalisées en diffraction des rayons X obtenus avec les quatre compositions précédentes.
Les diffractogrammes ont été enregistrés sur un appareil
XPERT-MPD (PanAnalytical). Le pas de mesure 2Θ est de 0,01° avec un temps d'accumulation de 2 sec/pas. La tension d'accélération est de 40 kV, et l'intensité de
55 mA. La relation de Bragg donnant l'équi distance structurale est :
Figure imgf000044_0001
Les diffractogrammes RX obtenus présentent, dans les plans (020), (003) et (060), des pics de diffraction dont les positions sont très proches des celles des pics de diffractions caractéristiques d'un talc naturel :
- pour le plan (020), un pic situé à une distance de 4,52-4,55 Â (4,55 Â, pour le talc naturel) ;
- pour le plan (003), un pic situé à 3,14-3,18 Â (3,12 Â, pour le talc naturel) ;
- pour le plan (060), un pic situé à 1,52-1,53 Â (1,53 Â, pour le talc naturel).
Quant au plan (001), la position des pics de diffraction correspondant est située à une distance variant entre 9,71 Â et 10,32 Â. Cette distance diffère notablement des 9,35 Â représentatif du plan (001) d'un talc naturel. Ce décalage du pic correspondant au plan (001) ainsi que la présence d'un pic pointé à une distance de l'ordre de 14-15 Â, notamment à 14,6 Â, reflète une interstratification de la phase minérale talqueuse non gonflante, avec une autre phase minérale, la stévensite, qui forme la phase minérale gonflante. Ceci est confirmé, d'une part, par la constatation que plus la quantité relative de stévensite est importante dans les particules minérales, plus le pic de diffraction du plan (001) se décale vers les petits angles de diffraction.
D'autre part, une analyse en diffraction des rayons X a également été réalisée sur des lames orientées saturées en éthylène glycol et calcium, en vu de confirmer la présence d'une interstratification de type talc-stévensite.
Les lames orientées ont été préparées selon le protocole suivant :
1. on place dans un eppendorff de 1,25 ml, 15 mg d'échantillon auquel on ajoute une solution de CaCl2 IN ; le mélange est agité au vortex pendant une trentaine de secondes puis est laissé au repos pendant environ 1 heure,
2. le mélange est centrifugé à 7000 tours/min pendant 15 min, puis on élimine le surnageant,
3. le culot est remis en suspension dans une solution de CaCl2 IN ; le mélange est agité au vortex pendant une trentaine de secondes, puis est laissé reposer pendant environ 12 heures,
4. le mélange est centrifugé à 7000 tours/min pendant 15 minutes, puis on élimine le surnageant,
5. le culot est lavé à l'eau osmosée : après adjonction de l'eau osmosée, le mélange est agité au vortex et ultrasonné pendant 10 secondes, puis est laissé reposer pendant environ 1 heure avant d'être centrifugé à 7000 tours/min pendant 15 minutes pour en éliminer le surnageant ; ce lavage est répété 5 fois,
6. après le lavage, le culot, qui correspond à un produit saturé en calcium, est repris dans de l'eau osmosée, le mélange est agité au vortex pendant 30 secondes et ultrasonné pendant 10 secondes, 7. on prélève la solution ainsi préparée à l'aide d'une pipette et on la dépose sur une lame de verre, 8. une fois la lame séchée, on pulvérise de l'éthylène glycol sur celle-ci et on laisse agir pendant 5 minutes ; cette lame est maintenant saturée en calcium et en éthylène glycol et est prête pour les analyses.
Les figures l ia à Hd présentent les diffractogrammes RX obtenus. Le tableau 1 ci-après en résume les données.
Plus l'aire d'un pic de diffraction est importante, plus la phase minérale représentée par ce pic est en quantité importante dans l'échantillon.
Les pics 1, 2 et 3 repérés sur les figures l ia à Hd, correspondent respectivement à la composante stévensite, à la composante témoignant de l'interstratification, et à la composante talc. Ces trois composantes forment un interstratifié talc-stévensite.
Figure imgf000046_0001
Tableau 1 Egalement, en référence au diffractogramme RX présenté à la figure 10, une mesure de la largeur à mi-hauteur des pics correspondant aux plans (001), (020), (003) et (060), relatifs à la phase minérale non gonflante, permet d'apprécier l'effet du ratio eau/solide sur l'évolution de la cristallinité. Pour une température et une durée de traitement hydrothermal données, la cristallinité des nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant augmente avec le ratio eau/solide.
C/ - PROTOCOLE GENERAL DE CONVERSION THERMIQUE DE
COMPOSITIONS DE NANOPARTICULES D'INTERSTRATIFIÉ T.O.T.-T.O.T. GONFLANT DE TYPE TALC-STEVENSITE EN COMPOSITIONS DE NANOPARTICULES TALQUEUSES SYNTHÉTIQUES
Une composition de nanoparticules d'inter stratifié T.O.T.- T.O.T. gonflant préparée selon le troisième procédé de préparation comme précédemment décrit, après séchage et broyage, est soumise à un traitement thermique anhydre. Pour ce faire, celle-ci est placée dans un creuset en platine puis est chauffée. On peut également utiliser un creuset en céramique ou en tout autre matériau approprié. La réaction est réalisée à basse pression, inférieure à 5 bars -notamment à la pression atmosphérique-.
1/ - Analyse et caractérisation Les structures cristalline et lamellaire des nanoparticules d' interstratifié T.O.T.-T.O.T. gonflant et celles des nanoparticules talqueuses synthétiques obtenues ont été caractérisées par spectroscopie infrarouge et en diffraction des rayons X. Certaines seulement des données recueillies sont présentées aux figures 12, 13a, 13b, 14 et 15, et commentées ci-après. a) Analyse en infrarouge
La figure 12 présente les résultats d'analyses réalisées en moyen infrarouge en transmission sur :
- une composition de nanoparticules d'inter stratifié T.O.T.-T.O.T. gonflant talc- stévensite (I.t.s.) préparée en suivant le protocole général de traitement hydrothermal du troisième procédé de préparation précédemment exposé, dans les conditions particulières suivantes : le traitement hydrothermal est réalisé à 22O0C pendant 24 heures, avec un ratio eau distillée/gel de 0,83 (200 g de composition pulvérulente pour 166 cm3 d'eau),
- une première composition de nanop articule s talqueuses synthétiques (Ts 3000C - 5h) obtenue à partir de la composition de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant talc-stévensite (I.t.s.) précédente et avec un traitement thermique anhydre de 3000C, pendant une durée de 5 heures, une seconde composition de nanoparticules talqueuses synthétiques (Ts 5000C - 5h) obtenue à partir de la composition de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant talc-stévensite (I.t.s.) précédente et avec un traitement thermique anhydre de 5000C, pendant une durée de 5 heures.
L'acquisition des spectres infrarouges a été réalisée avec un spectromètre NICOLET 510-FTIR sur un domaine de 4000 à 400 cm"1.
Par ailleurs, les figures 13a et 13b montrent des agrandissements des zones où se trouvent localisées les bandes de vibration à 3678 cm"1, à 1018 cm"1 et à 669 cm"1.
Des mesures ont également été effectuées en réflexion diffuse dans le proche infrarouge en vue de visualiser la vibration de la liaison Mg3-OH pointée à 7185 cm"1. La figure 14 montre un agrandissement de la zone comprise entre 6000 cm"1 à 8000 cm"1. L'agrandissement de la zone comprise entre 6000 cm"1 à
8000 cm"1 (figure 12) fait apparaître un pic à 7265 cm"1, à proximité du pic à 7185 cm"1 de référence. La présence de cette liaison traduit une légère hydratation des nanoparticules obtenues. Des molécules d'eau sont encore intercalées entre les feuillets correspondant à la structure du talc. Ces résultats montrent qu'un traitement thermique anhydre permet effectivement de convertir la composition de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant talc-stévensite en une composition de nanoparticules talqueuses synthétiques. Cette conversion se traduit notamment par la présence des quatre bandes de vibration caractéristiques du talc, dont la finesse reflète essentiellement la cristallinité du minéral. La finesse de ces quatre bandes, et donc la cristallinité du minéral, augmente progressivement au cours du traitement thermique anhydre, et avec la durée de ce traitement.
Néanmoins, avec un traitement thermique anhydre réalisé à une température de l'ordre de 3000C seulement, l'obtention d'un degré d'hydratation similaire à celui d'un talc naturel est longue.
Par contre avec un traitement thermique anhydre à une température de l'ordre de 5000C, la composition minérale traitée acquiert une cristallinité et un taux d'hydratation très comparables à ceux d'un talc naturel en un temps relativement court (dès 5 heures environ de traitement). 2/ - Analyses en diffraction des rayons X
La figure 15 présente les résultats d'analyses réalisées sur :
- la composition de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant talc- stévensite (I.t.s.) précédente,
- une première composition de nanoparticules talqueuses synthétiques (Ts 3000C) obtenue à partir de la composition de nanoparticules d'inter stratifié
T. O. T. -T. O. T. gonflant talc-stévensite précédente et avec un traitement thermique anhydre de 3000C, pendant une durée de 5 heures,
- une seconde composition de nanoparticules talqueuses synthétiques (Ts 55O0C) obtenue à partir de la composition de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant talc-stévensite précédente et avec un traitement thermique anhydre de 55O0C, pendant une durée de 5 heures.
Les diffractogrammes RX, présentés à la figure 15 ont été réalisés avec un appareil XPERT-MPD (PanAnalytical). Le pas de mesure 2Θ est de
0,01° avec un temps d'accumulation de 2 sec/pas. La tension d'accélération est de 40 kV, l'intensité de 55 mA. La relation de Bragg donnant l'équidistance structurale est : dhki=0,7703/sinθ.
Ces analyses confirment ce qui a été observé en spectroscopie infrarouge.
Les pics caractéristiques du talc s'intensifient avec un traitement thermique anhydre aussi bien à 55O0C qu'à 3000C, et cette intensité augmente avec la durée du traitement. Après 5 heures seulement d'un traitement thermique anhydre de 55O0C, les pics de diffraction caractéristiques du talc s'affinent. En particulier, le pic de diffraction du plan (001) passe d'une position à 9,64 Â à 9,50 Â ; on se rapproche fortement de la valeur de 9,35 Â caractéristique d'un talc naturel. Cet écart de valeurs peut refléter une taille très petite des nanoparticules (taille nanométrique) et/ou une légère hydratation résiduelle des nanoparticules talqueuses synthétiques, qui augmente la distance inter-réticulaire d(001) du fait de la présence des molécules d'eau intercalées entre les feuillets correspondant à la structure du talc. Cependant, il faut noter que cette hydratation est de moins en moins prononcée avec une durée de traitement thermique anhydre plus longue.
Une mesure de la largeur à mi-hauteur des pics des plans (001), (020), (003) et (060) montre l'évolution de la cristallinité et confirme que, pour une température de traitement supérieure à 3000C, plus le temps de synthèse augmente, plus la cristallinité des nanoparticules talqueuses synthétiques s'améliore (la largeur à mi-hauteur diminue avec le temps de traitement).
Les diffracto gramme s RX présentés à la figure 15 font aussi apparaître la présence des pics de diffraction caractéristiques du chlorure de sodium (NaCl). La présence de ces pics traduit un lavage et un rinçage insuffisants du gel silicométallique, préalables au traitement hydrothermal. En l'occurrence, les trois compositions analysées ont été préparées avec seulement un cycle de lavage du gel silicométallique.
D/ - STRUCTURE THEORIQUE DES NANOPARTICULES SYNTHETIQUES OBTENUES
Faisant référence aux figures 16 et 17 qui en présentent de façon schématique la structure cristalline, les nanoparticules talqueuses synthétiques et les nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant de type talc-stévensite obtenues, présentent une organisation microscopique en feuillets élémentaires 1 superposés. Chaque feuillet 1 présente une structure cristalline composée d'une couche d'octaèdres 4 occupés par des cations métalliques divalents, en l'espèce, Mg2+. Chacune de ces couches octaédriques est intercalée entre deux couches de tétraèdres 3.
Par rapport aux nanoparticules talqueuses synthétiques, la structure cristalline des nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant talc- stévensite est caractérisée par la présence de lacunes 5 en cations métalliques au niveau de certains sites octaédriques des feuillets élémentaires 1. Ces lacunes cationiques expliquent la faible cristallinité observée notamment sur les diffractogrammes RX.
Par rapport aux nanoparticules talqueuses synthétiques, la structure cristalline des nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant talc- stévensite se caractérise également par un empilement irrégulier des feuillets élémentaires 1 et par la présence d'espaces interfoliaires 2 au niveau desquels s'infiltrent les molécules d'eau et des cations hydratés. Ces cations infiltrés dans les espaces interfoliaires 2 permettent de compenser la perte de charges due aux lacunes 5 en cations au niveau de la phase minérale. L'édifice cristallin reste ainsi dans un état relativement neutre.
Les cations interfoliaires sont faiblement liés au reste du réseau et sont de ce fait susceptibles d'être échangés par d'autres cations. Egalement, les espaces interfoliaires 2 sont plus ou moins expansibles. A l'intérieur de ces espaces interfoliaires, des substances diverses peuvent être introduites.
Les tests de traitement thermique anhydre des de nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant synthétiques de type talc- stévensite ont conduit à une conversion de ce minéral synthétique en nanoparticules talqueuses synthétiques. En particulier, on observe un affinement progressif des pics de diffraction RX caractéristiques au niveau des plans (001), (020), (003) et (060) qui traduit une amélioration de la cristallinité des feuillets 1. Progressivement, les lacunes 5 sont comblées par les cations des espaces interfoliaires 2. Et, de manière concomitante, les espaces interfoliaires s'amincissent (passant de 12 Â à des valeurs de l'ordre de 9,4-9,6 Â) ; dans le plan (001), le pic de diffraction caractéristique se rapproche de la distance 9,35 Â. EXEMPLE 3 : préparation de nanop articule s talqueuses synthétiques selon le deuxième procédé de préparation
A/ - PROTOCOLE DE SYNTHÈSE D'UNE COMPOSITION DE NANOPARTICULES TALQUEUSES SYNTHÉTIQUES Les nanoparticules talqueuses synthétiques sont préparées selon le deuxième procédé de préparation qui consiste en un traitement thermique anhydre d'une composition de kérolites. Ce traitement thermique anhydre est réalisé à basse pression, inférieure à 5 bars (par exemple, à pression atmosphérique) et à une température supérieure à 3000C. Ce traitement thermique anhydre permet la conversion d'une kérolite en nanoparticules talqueuses synthétiques parfaitement cristallisées et thermiquement stables. La granulométrie de ces nanoparticules talqueuses synthétiques peut être déterminée et ajustée en fonction des caractéristiques de la kérolite de départ, et du procédé de préparation de cette kérolite. 1/ - Préparation du gel silicométallique
Le gel silicométallique est préparé par une réaction de coprécipitation selon l'équation suivante :
4(Na2OSiO2, 5H2O) ^ (Si4Mg3O11, n'H2O) + 8NaCl + (39-n')H2O
+ 3(MgCl2, 6H2O) + 2HCl ~^=> Cette réaction de coprécipitation permet d'obtenir un gel silicométallique hydraté ayant la stœchiométrie du talc (4 Si pour 3 Mg). Elle est mise en œuvre à partir de : 1. une solution aqueuse de métasilicate de sodium penta-hydraté, préparée en diluant 0,1 mole de métasilicate de sodium dans 250 cm"3 d'eau distillée, 2. une solution de chlorure de magnésium, préparée en diluant 0,075 mole de chlorure de magnésium (sous la forme de cristaux hygroscopiques) dans 50 cm"3 d'eau distillée, et 3. 50 cm"3 d'acide chlorhydrique IN.
La préparation du gel silicométallique est réalisée avec le protocole suivant :
1. on mélange les solutions d'acide chlorhydrique et de chlorure de magnésium, 2. on ajoute ce mélange à la solution de métasilicate de sodium ; le gel de coprécipitation se forme instantanément,
3. on récupère un gel après centrifugation (7000 tours par minute pendant 15 minutes) et élimination du surnageant (solution de chlorure de sodium formée),
4. on lave le gel à l'eau, par exemple avec de l'eau distillée, osmosée ou simplement avec de l'eau du robinet (au minimum deux cycles de lavage/centrifugation).
A l'issue de cette première phase, on obtient un gel silicométallique Si4Mg3θπ, n'H2θ, de couleur blanche et fortement hydraté. Sa consistance est gélatineuse.
2/ - Traitement du gel silicométallique pour obtenir une composition de kérolites
Avant de soumettre ce gel silicométallique à un traitement hydrothermal pour obtenir une composition de kérolites, celui-ci, de texture gélatineuse, est séché à l'étuve à 6O0C, pendant deux jours. Ce temps de séchage, relativement long, s'explique par la forte hydratation du gel recueilli après centrifugation.
Les agrégats silicométalliques obtenus sont broyés avec un mortier en agate jusqu'à obtenir une poudre homogène. Cette composition silicométallique pulvérulente est alors soumise à un traitement hydrothermal pour obtenir une composition de kérolites. Pour ce faire :
1. on place la composition silicométallique pulvérulente dans un réacteur (autoclave) avec de l'eau distillée dans un rapport liquide/solide de 0,83 (par exemple 200 g de composition pulvérulente pour 166 cm3 d'eau),
2. on place le réacteur dans une étuve à une température de l'ordre de 22O0C et pour une durée de traitement d'un jour, ou plus,
3. au terme de ce traitement hydrothermal, la substance solide du milieu réactionnel est filtrée puis séchée. On obtient au final une composition solide divisée, de couleur blanche correspondant à une composition de kérolites synthétique. 3/ - Traitement thermique anhydre de la composition de kérolites
La composition de kérolites précédemment préparée est alors soumise à un traitement thermique anhydre. Pour ce faire, celle-ci est placée dans un creuset en platine puis est chauffée. On peut aussi utiliser un creuset en céramique, ou en tout autre matériau adapté à la température de traitement. Le chauffage de ladite composition est réalisé à pression atmosphérique.
B/ - ANALYSE ET CARACTÉRISATION STRUCTURELLES DES NANOPARTICULES OBTENUES Les structures cristalline et lamellaire des nanoparticules de kérolites et des nanoparticules talqueuses synthétiques obtenues ont été caractérisées par spectroscopie infrarouge en transmission et réflexion diffuse, et en diffraction des rayons X. Les données recueillies sont présentées aux figures 18, 19a, 19b, 20, 21 et 22, et sont ci-après commentées. 1/ - Analyse en infrarouge
La figure 18 présente les résultats d'analyses réalisées en moyen infrarouge sur :
- une composition de kérolites (Ker.) préparée selon la méthode précédemment décrite, - une première composition de nanoparticules talqueuses synthétiques
(Ts 3000C - 5h) obtenue à partir de la composition de kérolites précédente et avec un traitement thermique anhydre de 3000C, pendant une durée de 5 heures,
- une seconde composition de nanoparticules talqueuses synthétiques (Ts 5000C - 5h) obtenue à partir de la composition de kérolites précédente et avec un traitement thermique anhydre de 5000C, pendant une durée de 5 heures.
L'acquisition des spectres infrarouges a été réalisée avec un spectromètre Nicolet 510-FTIR sur un domaine de 4000 à 400 cm"1.
Par ailleurs, les figures 19a et 19b montrent des agrandissements des zones où se trouvent localisées les bandes de vibration à 3678 cm"1, à 1018 cm"1 et à 669 cm"1. Des mesures ont également été effectuées en réflexion diffuse dans le proche infrarouge en vue de visualiser la vibration de la liaison Mg3-OH pointée à 7185 cm"1. La figure 20 montre un agrandissement de la zone comprise entre 6000 cm"1 à 8000 cm"1. Ces résultats montrent qu'un traitement thermique anhydre peut permettre la transformation d'une composition de kérolites synthétique en une composition de nanoparticules talqueuses synthétiques. Cette transformation se traduit notamment par l'apparition des quatre bandes de vibration caractéristiques de la structure du talc, dont la finesse reflète essentiellement la cristallinité du minéral. Les inventeurs ont également fait le constat que la finesse de ces quatre bandes, et donc la cristallinité du minéral traité, augmente progressivement au cours du traitement thermique anhydre, et avec la durée de ce traitement.
Il convient néanmoins de noter que l'agrandissement de la zone comprise entre 6000 cm"1 à 8000 cm"1 (figure 20) fait apparaître un pic à 7265 cm"1, à proximité du pic à 7185 cm"1 de référence. La présence de cette liaison traduit une légère hydratation du produit obtenu. Des molécules d'eau sont intercalées entre les feuillets correspondant à la structure du talc.
Les analyses précédentes confirment qu'un traitement thermique anhydre, notamment à 3000C ou à 5000C, permet de transformer une composition de kérolites en une composition de nanoparticules talqueuses synthétiques. Néanmoins, avec un traitement thermique anhydre réalisé à une température de l'ordre de 3000C seulement, l'obtention d'un degré d'hydratation similaire à celui d'un talc naturel est longue. Par contre avec un traitement thermique anhydre à une température de l'ordre de 5000C, la composition minérale traitée acquiert une cristallinité et un taux d'hydratation très comparables à celles d'un talc naturel en un temps relativement court (dès 5 heures environ de traitement).
2/ - Analyses en diffraction des rayons X La figure 21 présente les résultats d'analyses réalisées sur : - une composition de kérolites (Ker.) synthétiques préparée selon la méthode de coprécipitation précédemment décrite,
- une première composition de nanoparticules talqueuses synthétiques (Ts 3000C) obtenue à partir de la composition de kérolites précédente et avec un traitement thermique anhydre de 3000C, pendant une durée de 5 heures,
- une seconde composition de nanoparticules talqueuses synthétiques (Ts 55O0C) obtenue à partir de la composition de kérolites précédente et avec un traitement thermique anhydre de 55O0C, pendant une durée de 5 heures.
Les diffracto gramme s, présentés à la figure 21 , ont été réalisés sur un appareil XPERT - MPD PanAnalytical.
Le pas de mesure 2Θ est de 0,01 ° avec un temps d'accumulation de 2 sec/pas. La tension d'accélération est de 40 kV, l'intensité de 55 mA. La relation de Bragg donnant l'équidistance structurale est de
Figure imgf000056_0001
Ces analyses confirment ce qui a été observé en spectroscopie infrarouge.
Les pics caractéristiques de la structure du talc s'intensifient avec un traitement thermique anhydre aussi bien à 55O0C qu'à 3000C, et cette intensité augmente avec la durée du traitement. Après 5 heures seulement d'un traitement thermique anhydre de 55O0C, les pics de diffraction caractéristiques de la structure du talc s'affinent. En particulier, le pic de diffraction correspondant au plan (001) passe d'une position à 9,64 Â à 9,50 Â ; on se rapproche fortement de la valeur de 9,35 Â caractéristique d'un talc naturel. Cet écart de valeurs reflète une très légère hydratation résiduelle des nanoparticules talqueuses synthétiques et/ou une taille très petite des nanoparticules (taille nanomé trique). Cependant, il faut noter que l'hydratation est de moins en moins prononcée lorsque la durée du traitement thermique anhydre augmente.
Une mesure de la largeur à mi-hauteur des pics des plans (001), (020), (003) et (060) montre l'évolution de la cristallinité et confirme que, pour une température de traitement supérieure à 3000C, plus le temps de synthèse augmente, plus la cristallinité des nanoparticules s'améliore (la largeur à mi-hauteur diminue avec le temps de traitement).
Les diffractogrammes présentés à la figure 21 font aussi apparaître la présence des pics de diffraction caractéristiques du chlorure de sodium (NaCl). La présence de ces pics traduit un lavage et un rinçage insuffisants du gel silicométallique, préalables au traitement hydrothermal. En l'occurrence, les trois compositions analysées ont été préparées avec seulement un cycle de lavage du gel silicométallique.
La figure 22 présente, pour comparaison, un diffracto gramme RX d'un échantillon de nanoparticules talqueuses synthétiques (Talc synth.), de taille nanométrique, comprise entre 20 et 100 nm, et d'un échantillon de talc naturel (Talc nat.) conforme à l'état de la technique broyé mécaniquement jusqu'à obtenir des particules ayant une granulométrie de l'ordre de 70-120 nm.
Une première différence entre le talc naturel et les nanoparticules talqueuses synthétiques apparaît dans la position des pics de diffraction correspondant aux plans (001) et (003) :
- pour le plan (001) : 9,43 Â pour les nanoparticules talqueuses synthétiques, au lieu de 9,36 Â pour le talc naturel ;
- pour le plan (003) : 3,16 Â pour les nanoparticules talqueuses synthétiques, au lieu de 3,12 Â pour le talc naturel.
Le talc naturel (Talc nat.) nanométrique se différencie aussi des nanoparticules talqueuses synthétiques (Talc synth.) par une intensité de ces pics de diffraction beaucoup plus faible.
De plus, par rapport aux nanoparticules talqueuses synthétiques, de taille nanométrique, le talc nanométrique naturel présente des pics de diffraction avec des largeurs à mi-hauteur plus grandes (pour une même préparation et un temps de comptage identique). Ces données traduisent une meilleure cristallinité pour les nanoparticules talqueuses synthétiques. Le broyage intensif d'un talc naturel pour obtenir un talc de taille nanométrique entraîne une amorphisation considérable du produit. C/ - STRUCTURE THÉORIQUE DES PARTICULES DE KÉROLITES SYNTHÉTIQUES OBTENUES SELON L'INVENTION
Les nanoparticules talqueuses synthétiques et les nanoparticules de kérolite synthétiques ont une organisation microscopique en feuillets élémentaires superposés, similaire à celle représentée figures 16 et 17, dont le nombre varie de quelques unités à quelques dizaines d'unités.
Aussi bien pour les nanoparticules talqueuses synthétiques que pour les nanoparticules de kérolite synthétiques, la structure cristalline des feuillets élémentaires, est constituée par l'association de deux couches tétraédriques situées de part et d'autre d'une couche octaédrique.
La couche octaédrique est formée de deux plans d'ions O2" et OH" (dans la proportion molaire O VOH" de 2: 1). De part et d'autre de cette couche médiane viennent s'agencer des réseaux tridimensionnels de tétraèdres dont un des sommets est occupé par un oxygène commun à la couche tétraédrique et à la couche octaédrique, tandis que les trois autres le sont par des oxygènes sensiblement coplanaires appartenant à une couche tétraédrique.
Les cavités tétraédriques sont occupées par des ions Si4+ et les cavités octaédriques le sont par les cations Mg +.
A la différence des nanoparticules talqueuses synthétiques, le réseau cristallin des nanoparticules de kérolite synthétiques présente des lacunes ; une petite proportion des sites octaédriques n'est pas occupée. Il en résulte un déficit cationique. Ce déficit cationique est en grande partie comblé par la présence de cations, dits cations compensateurs, qui occupent les espaces interfoliaires. Ces espaces interfoliaires, fortement hydratés, constituent également une caractéristique distinctive de la structure cristalline des kérolites par rapport à celle des talcs purs.
Ces lacunes expliquent la faible cristallinité observée notamment sur les diffractogrammes RX.
Les tests de traitement thermique anhydre des compositions de kérolites synthétiques ont montré une conversion de ces compositions en des compositions de nanoparticules talqueuses synthétiques. En particulier, on observe un affinement progressif des pics de diffraction caractéristiques au niveau des plans (001), (020), (003) et (060), qui traduit une amélioration de la cristallinité des feuillets. Progressivement, les lacunes sont comblées par les cations des espaces interfoliaires. Et, de manière concomitante, les espaces interfoliaires s'amincissent (passant de 12 Â à des valeurs de l'ordre de 9,4-9,6 Â) ; dans le plan (001), le pic de diffraction caractéristique se rapproche de la distance 9,35 Â, caractéristique d'un talc naturel.
EXEMPLE 4 : Revêtement composite à base de nickel Les nanoparticules synthétiques obtenues aux exemples 1 à 3 sont des nanoparticules phyllosilicatées synthétiques lamellaires hydrophiles qui peuvent être utilisés pour réaliser un revêtement composite lubrifiant par dépôt électrolytique comprenant une matrice métallique dans laquelle ces nanoparticules sont dispersées.
Dans l'exemple 4, le revêtement a été préparé dans une cellule électrochimique constituée par une anode de nickel de 4 cm4 et une cathode de cuivre de 1,762 cm" sur laquelle le dépôt est effectué.
La cellule électrochimique contient un électrolyte ayant un pH de 4,5 et la composition suivante :
NiSO4, 6H2O : 280 g.l"1 NiCl2, 6H2O : 30 g.l"1 - H3BO3 : 45 g.l"1
Na2SO4 : 50 g.l"1
50 g.l"1 de nanoparticules talqueuses synthétiques de dimension moyenne de l'ordre de 100 nm préparées comme décrit à l'exemple 3 selon le deuxième procédé de préparation avec un traitement hydrothermal à 35O0C et un traitement thermique ultérieur à 55O0C .
Le dépôt est effectué en maintenant l'électrolyte à une température de 550C sous une densité de courant de 2,5 A.dm2, pendant une durée de lh30.
La structure du revêtement obtenu est représentée schématiquement figure 23. Comme on le constate, le matériau composite formant le revêtement comprend des grains métalliques 5 dans lesquelles sont incorporés des nanoparticules talqueuses synthétiques 6. Ces nanoparticules de taille bien inférieure à la dimension moyenne des grains métalliques, ne modifient pas l'état de surface du revêtement et ne gênent en aucune manière la réalisation du dépôt métallique.
Il est à noter que dans un procédé de préparation d'un revêtement conforme à l'état de la technique avec du talc naturel selon WO 2004/063428, on constate l'apparition d'une mousse volumineuse stable par accumulation d'hydrogène sur les faces hydrophobes des particules de talc. Au contraire, dans un procédé de préparation du revêtement selon l'invention, aucune apparition de mousse n'est constatée.
EXEMPLE 5 : Revêtement composite à base de NiP
Dans une cellule électrochimique analogue à celle utilisée dans l'exemple 4, on a introduit un électrolyte dont le pH = 2 qui a la composition suivante :
• NiSO4, 6H2O 21O gJ"1
• NiCl2, 6H2O 6O gJ"1 • H3PO4 45 g.l"1
• H3PO3 0-15 g.l"1
• Na2SO4 5O gJ"1
• 50 g.l"1 de nanoparticules talqueuses synthétiques de dimension moyenne de l'ordre de 100 nm préparées comme décrit à l'exemple 3 selon le deuxième procédé de préparation avec un traitement hydrothermal à 35O0C et un traitement thermique ultérieur à 55O0C.
Le dépôt est effectué en maintenant l'électrolyte à une température de 8O0C, pendant une durée de 45 min.
Plusieurs échantillons ont ainsi été préparés en faisant varier la densité de courant. Le tableau ci-dessous indique la vitesse de dépôt constatée (directement liée à l'épaisseur du dépôt obtenu) en fonction de la densité de courant appliquée.
Figure imgf000061_0001
EXEMPLE 6 : Revêtement composite à base de ZnNi/nanoparticules talqueuses synthétiques
Dans une cellule électrochimique analogue à celle utilisée dans l'exemple 4, on a introduit un électrolyte dont le pH = 2 qui a la composition suivante :
ZnCl2 93,7 g.r
NiCl2, 6H2O 9,3 g.r KCl 200 g.r
• 50 g.l" de nanoparticules talqueuses synthétiques de dimension moyenne de l'ordre de 100 nm préparées comme décrit à l'exemple 3 selon le deuxième procédé de préparation avec un traitement hydrothermal à 35O0C et un traitement thermique ultérieur à 55O0C.
Le dépôt est effectué en maintenant l'électrolyte à une température de 550C sous une densité de courant de 5 A.dm"2, pendant une durée de 12 minutes.
Au lieu du dépôt électrochimique de l'exemple 4, on peut réaliser un revêtement composite selon l'invention par un dépôt électrolytique de type chimique.
EXEMPLE 7 : Revêtement composite par voie chimique NiP/ nanoparticules talqueuses synthétiques (« electroless »).
Le revêtement est préparé dans une cellule contenant un substrat d'acier de 1,8 cm recouvert préalablement d'une couche de Nickel de 1 micron. La cellule contient un électrolyte ayant un pH de 4,5 et la composition suivante :
• NiSO4, 6H2O 280 g.!"1 • NiCl2, 6H2O 30 g.l -1 • NaH2PO2 1 à 30 g.l"1
• 50 g.l"1 de nanoparticules talqueuses synthétiques de dimension moyenne de l'ordre de 100 nm préparées comme décrit à l'exemple 3 selon le deuxième procédé de préparation avec un traitement hydrothermal à 35O0C et un traitement thermique ultérieur à 55O0C.
EXEMPLE 8 : Revêtements composites à base de Ni-Co : Dans cet exemple, les revêtements ont été préparés dans une cellule électrochimique analogue à celle utilisée dans l'exemple 4, avec un électrolyte ayant la composition suivante : • Co(CH3CO2), n H2O 10 g.l"1
• Ni(CH3CO2), n H2O 100 g.l"1
• NiCl2 4O gJ"1
• H3BO3 4O gJ"1
Des revêtements composites à matrice nickel-cobalt ont été élaborés à partir de nanoparticules talqueuses synthétiques préparées selon le premier procédé de préparation comme décrit à l'exemple 1.
Deux voies ont été étudiées : d'une part des nanoparticules talqueuses synthétiques séchées à la sortie du réacteur hydrothermal puis broyées et mises en suspension dans l'électrolyte, d'autre part des nanoparticules talqueuses synthétiques directement sorties du réacteur, dispersées dans l'eau de synthèse (sans séchage ni broyage). Cette dernière voie permet d'une part de supprimer deux étapes du procédé et d'éviter de manipuler des poudres nanométriques. De plus, leur stabilité en suspension (vitesse de sédimentation faible) est de loin supérieure à celle des poudres séchées. L'état de dispersion de ces poudres à la sortie du réacteur hydrothermal est donc beaucoup plus satisfaisant que dans le cas des poudres de nanoparticules talqueuses synthétiques séchées broyées.
Avec ou sans séchage, les conditions du traitement hydrothermal ont été les suivantes : 300 0C, 90.105 Pa, avec une durée de 6 heures ou de 15 jours. II a été montré que la présence de nanoparticules dispersées dans l'électrolyte engendre un affmement et une modification de la micro structure des dépôts électrochimiques. Les dépôts réalisés à partir de suspensions comportant des nanoparticules talqueuses synthétiques directement sorties du réacteur sans étape de séchage puis dispersées dans l'électrolyte permettent d'obtenir un revêtement plus lisse et des propriétés tribologiques intéressantes, incorporant des nanoparticules talqueuses synthétiques dispersées entre les granules, bien visibles au microscope TEM (x40000), et ce pour des concentrations en particules 2,5 fois moins importantes que dans le cas des poudres nanoparticules talqueuses synthétiques séchées broyées.

Claims

au moins une phase minérale non gonflante, formé d'un empilement de feuillets élémentaires de type phyllogermanosilicate 2/1 et de formule chimique - (SixGei-x)4 M3θio(OH)2 -, et au moins une phase minérale gonflante, formée d'un empilement de feuillets élémentaires de type phyllogermanosilicate 2/1 et d'au moins un espace interfoliaire entre deux feuillets élémentaires consécutifs ; ladite phase minérale gonflante ayant pour formule chimique
- (Six Ge1-X)4 M3.ε O10 (OH)2, (M2+)ε' . nH2O -, dans lesdites formules chimiques : - M désignant au moins un métal divalent et ayant pour formule Mgy(1)Cθy(2 Znyβ)Cuy(4)Mny(5)Fey(6)Niy(7)Cry(8) ; chaque y(i) représentant un
8 nombre réel de l'intervalle [0 ; 1], et tel que ^XO = 1, x étant un nombréiréel de l'intervalle [0 ; 1], ε et ε' se rapportant respectivement au déficit cationique des feuillets élémentaires de la phase gonflante, et aux cations présents dans l'(les) espace(s) interfoliaire(s),
- une analyse en diffraction des rayons X desdites nanoparticules d'inter stratifié T. O. T. -T. O. T. gonflant conduisant à l'obtention d'un diffractogramme présentant des pics de diffraction caractéristiques suivants : - un plan (001) situé à une distance de l'ordre de
14-15 Â, représentatif de ladite phase minérale gonflante, des plans représentatifs de ladite phase minérale non gonflante : un plan (001) situé à une distance de l'ordre de 9,60- 10,50 À ; un plan (020) situé à 4,50-4,60 À ; un plan (003) situé à 3,10-3,20 À ; un plan (060) situé à 1,50-1,55 À.
3. Matériau composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques présentent un pic de diffraction correspondant au plan (001) est situé à une distance de l'ordre de 9,55-9,65 À.
4. Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques sont choisies dans le groupe formé des nanoparticules de formule Si4Mg3O1O(OH)2 et caractérisées par analyse en diffraction des rayons X desdites nanoparticules silico/germano-métalliques synthétiques conduisant à l'obtention d'un diffractogramme présentant des pics de diffraction caractéristiques suivants :
- un pic situé à 9,40-9,68 Â, correspondant à un plan (001) ; - un pic situé à 4,50-4,60 Â, correspondant à un plan (020) ;
- un pic situé à 3,10-3,20 Â, correspondant à un plan (003) ;
- un pic situé à 1,50-1,55 Â, correspondant à un plan (060).
5. Matériau composite selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites nanoparticules minérales silico/germano-métalliques synthétiques présentent un pic de diffraction correspondant au plan (001) est situé à une distance de l'ordre de 9,40-9,43 À.
6. Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques ont une granulométrie de répartition unimodale et monodisperse. 7. Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques ont une dimension moyenne inférieure à 500 nm -notamment compris entre 20 nm et 100 nm-.
8. Matériau selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques sont réparties individualisées et dispersées au sein de la matrice métallique.
9. Matériau selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la matrice métallique est constituée par un métal choisi parmi Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Cu, W, Mo, Zn, Au, Ag, Pt, Sn, par un composé intermétallique ou un alliage de plusieurs métaux choisis parmi les métaux précités, ou par un alliage d'un ou plusieurs desdits métaux avec un métalloïde.
10. Matériau composite selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matrice métallique est constituée par du nickel, un alliage métallique de nickel avec d'autres métaux, ou un alliage de nickel avec un métalloïde.
11. Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une proportion volumique de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques inférieure à 20 %.
12. Substrat portant un revêtement lubrifiant, caractérisé en ce que ledit revêtement est constitué par un matériau composite selon l'une des revendications 1 à 11. 13. Substrat selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est constitué par un matériau intrinsèquement conducteur.
14. Substrat selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est constitué par un matériau isolant ou semi-conducteur dont la surface à traiter a été rendue conductrice par une étape préliminaire de métallisation. 15. Procédé de dépôt sur un substrat d'un revêtement constitué par un matériau composite comprenant une matrice métallique au sein de laquelle sont réparties des particules minérales phyllosilicatées lamellaires, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer un dépôt électrolytique en utilisant une solution de précurseurs de la matrice métallique du revêtement qui contient en outre des nanoparticules, dites nanoparticules phyllosilicatées synthétiques, minérales silico/germano-métalliques lamellaires synthétiques hydrophiles présentant une dimension moyenne comprise entre 10 nm et 1 μm.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre par voie chimique, par mise en contact de la surface du substrat à revêtir avec la solution contenant les précurseurs de la matrice métallique, les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques, ainsi qu'un composé agissant comme catalyseur pour l'oxydoréduction des précurseurs de la matrice métallique du revêtement.
17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre par voie électrochimique dans une cellule électrochimique dans laquelle ledit substrat à revêtir constitue la cathode et l'électrolyte est une solution de précurseurs de la matrice métallique du revêtement contenant en outre les nanoparticules phyllosilicatées synthétiques.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'anode de la cellule électrochimique est constituée par le métal formant la matrice ou d'une anode insoluble.
19. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les précurseurs de la matrice métallique sont choisis parmi les composés ioniques, complexés ou non, réductibles en solution par voie chimique ou par apport d'électrons. 20. Procédé selon l'une des revendications de 15 à 19, caractérisé en ce qu'on utilise une proportion de nanoparticules phyllosilicatées synthétiques telle que la proportion volumique de ces nanoparticules phyllosilicatées synthétiques dans le revêtement obtenu est inférieure à 20 %.
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