Les ingénieurs du MIT, de Caltech et de l’ETH Zürich découvrent que les matériaux « nanoarchitecturés » conçus à partir de structures à l’échelle nanométrique à motifs précis (photo) peuvent être une voie prometteuse vers une armure légère, des revêtements protecteurs, des boucliers anti-explosion et d’autres matériaux résistants aux chocs. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Plus fin qu’un cheveu humain, ce nouveau matériau peut absorber les impacts des microparticules se déplaçant à des vitesses supersoniques.
Ingénieurs chez Caltech, AVEC, et ETH Zürich ont développé un matériau nano-architecturé fabriqué à partir de minuscules entretoises en carbone qui, livre pour livre, est plus efficace pour arrêter un projectile que le Kevlar, un matériau couramment utilisé dans les équipements de protection individuelle.
Initiés par la scientifique des matériaux de Caltech Julia R. Greer, les matériaux nano-architecturés ont une structure conçue à l’échelle nanométrique et présentent des propriétés inhabituelles et souvent surprenantes, par exemple des céramiques exceptionnellement légères qui reprennent leur forme d’origine, comme une éponge, après avoir été compressé.
« Les connaissances issues de ce travail pourraient fournir des principes de conception pour des matériaux ultralégers résistants aux chocs à utiliser dans des matériaux de blindage efficaces, des revêtements protecteurs et des boucliers résistants aux explosions souhaitables dans les applications de défense et spatiales », déclare Greer, Ruben F. et Donna Mettler Professeur de science des matériaux, de mécanique et de génie médical, dont le laboratoire a dirigé la fabrication du matériau. Greer est l’auteur co-correspondant d’un article sur le nouveau matériel qui a été publié dans Matériaux naturels.
L’équipe a testé la résilience du matériau en le tirant avec des microparticules à des vitesses supersoniques, et a découvert que le matériau, qui est plus fin que la largeur d’un cheveu humain, empêchait les projectiles miniatures de le déchirer. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Le matériau, plus fin qu’un cheveu humain, est constitué de tétrakaïdécaèdres interconnectés constitués d’entretoises de carbone formées sous une chaleur extrême (appelée carbone pyrolytique). Les tétrakaidecaèdres sont des structures à 14 faces : six à quatre côtés et huit à huit côtés. Elles sont également appelées « cellules de Kelvin » car, en 1887, Lord Kelvin (physicien William Thomson, 1er baron Kelvin, en l’honneur duquel nous indiquons les températures absolues en unités de « Kelvin ») a suggéré qu’elles seraient la meilleure forme pour remplir un vide espace tridimensionnel avec des objets de taille égale utilisant une surface minimale.
« Historiquement, cette géométrie apparaît dans les mousses d’atténuation de l’énergie, explique Carlos Portela (MS ’16, PhD ’19), professeur adjoint de génie mécanique au MIT et auteur principal/co-correspondant du Matériaux naturels papier. Portela et son laboratoire ont étudié l’utilisation de structures en mousse pour conférer de la flexibilité au carbone rigide. “Alors que le carbone est normalement cassant, la disposition et les petites tailles des entretoises dans le matériau nano-architecturé donnent lieu à une architecture caoutchouteuse dominée par la flexion”, dit-il.
Alors que la résistance des matériaux nano-architecturés a été étudiée en utilisant des déformations lentes (compression et tension, par exemple), Portela a voulu savoir comment un tel matériau pouvait survivre à un impact à grande vitesse.
À l’aide d’une caméra à haute vitesse, les chercheurs ont capturé des vidéos des microparticules ayant un impact avec le matériau nanoarchitecturé. Crédit : MIT / Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Alors qu’elle était postdoctorante à Caltech dans le laboratoire Greer, Portela a d’abord fabriqué le matériau à partir de polymère photosensible en utilisant la lithographie à deux photons, une technique qui utilise un laser rapide à haute puissance pour solidifier et sculpter des structures microscopiques. Son équipe a ensuite pyrolysé les structures ; c’est-à-dire qu’ils les ont brûlés dans un four à très haute température pour convertir le polymère en carbone pyrolytique. Les scientifiques ont créé deux versions du matériau : une plus dense et une plus lâche. Le laboratoire de Portela a ensuite fait exploser les deux versions avec des particules d’oxyde de silicium sphériques de 14 microns de diamètre, une à la fois. Les particules voyageaient entre 40 et 1 100 mètres par seconde ; pour référence, la vitesse du son est de 340 mètres par seconde.
Les chercheurs ont découvert que la version plus dense du matériau était plus résistante, les microparticules ayant tendance à s’incruster dans le matériau plutôt que de se déchirer directement, comme ce serait le cas avec des polymères entièrement denses ou des feuilles de carbone de la même épaisseur. Après un examen plus approfondi, ils ont découvert que les supports individuels entourant directement la particule s’effondraient, mais la structure globale est restée intacte jusqu’à ce que le projectile s’arrête. Livre pour livre, le nouveau matériau a surpassé l’acier de plus de 100 % et les composites de Kevlar de plus de 70 %.
“Nous montrons que le matériau peut absorber beaucoup d’énergie en raison de ce mécanisme de compactage par choc des entretoises à l’échelle nanométrique par rapport à quelque chose qui est entièrement dense et monolithique, et non nano-architecturé”, explique Portela.
Pour que le matériau soit utilisé dans des applications réelles, les chercheurs devront ensuite trouver des moyens d’augmenter sa production et d’explorer comment d’autres matériaux nano-architecturés, y compris ceux fabriqués à partir de matériaux autres que le carbone, résistent à haute vitesse. incidences. En attendant, l’étude a démontré la viabilité des matériaux nano-architecturés pour la résistance aux chocs, ouvrant une nouvelle voie de recherche.
Pour en savoir plus sur cette recherche, lisez Plus résistant que le Kevlar et l’acier : un matériau ultraléger résiste aux impacts de microparticules supersoniques.
Référence : « Supersonic impact résilience of nanoarchitected carbon » par Carlos M. Portela, Bryce W. Edwards, David Veysset, Yuchen Sun, Keith A. Nelson, Dennis M. Kochmann et Julia R. Greer, 24 juin 2021, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038 / s41563-021-01033-z
Les co-auteurs incluent l’ancien étudiant diplômé de Caltech, Bryce Edwards; David Veysset, Yuchen Sun et Keith A. Nelson de l’Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT et du département de chimie ; et Dennis M. Kochmann de l’ETH Zürich. Cette recherche a été financée en partie par l’Office of Naval Research, la bourse de la Faculté Vannevar Bush et le US Army Research Office par le biais de l’Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT.
