Pour économiser du carburant et réduire les émissions des avions, les ingénieurs cherchent à construire des avions plus légers et plus solides à partir de composites avancés. Ces matériaux techniques sont fabriqués à partir de fibres hautes performances intégrées dans des feuilles de polymère. Les feuilles peuvent être empilées et pressées en un seul matériau multicouche et transformées en structures extrêmement légères et durables.
Mais les matériaux composites présentent une vulnérabilité principale : l’espace entre les couches, qui est généralement rempli de « colle » polymère pour lier les couches entre elles. En cas de choc ou de choc, les fissures peuvent facilement se propager entre les couches et affaiblir le matériau, même si les couches elles-mêmes ne présentent aucun dommage visible. Au fil du temps, à mesure que ces fissures cachées se propagent entre les couches, le composite pourrait s’effondrer soudainement sans avertissement.
Aujourd’hui, les ingénieurs du MIT ont montré qu’ils pouvaient empêcher les fissures de se propager entre les couches du composite, en utilisant une approche qu’ils ont développée appelée « nanostitching », dans laquelle ils déposent des forêts microscopiques de nanotubes de carbone cultivées chimiquement entre les couches du composite. Les fibres minuscules et densément tassées agrippent et maintiennent les couches ensemble, comme du Velcro ultra résistant, empêchant les couches de se décoller ou de se déchirer.
Dans des expériences avec un composite avancé connu sous le nom de stratifié de fibre de carbone à couche mince, l’équipe a démontré que les couches liées par des nanocoutures amélioraient la résistance du matériau aux fissures jusqu’à 60 pour cent, par rapport aux composites contenant des polymères conventionnels. Les chercheurs affirment que les résultats aident à résoudre la principale vulnérabilité des composites avancés.
“Tout comme la pâte phyllo s’écaille, les couches composites peuvent se décoller car cette région interlaminaire est le talon d’Achille des composites”, explique Brian Wardle, professeur d’aéronautique et d’astronautique au MIT. “Nous montrons que les nanocoutures rendent cette région normalement faible si solide et si résistante qu’une fissure ne s’y développera pas. Nous pourrions donc nous attendre à ce que la prochaine génération d’avions ait des composites maintenus ensemble avec ce nano-Velcro, pour rendre les avions plus sûrs et plus sûrs.” ont une plus grande longévité. »
Wardle et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd’hui dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS. Le premier auteur de l’étude est Carolina Furtado, ancienne étudiante diplômée et postdoctorante invitée au MIT, aux côtés de Reed Kopp, Xinchen Ni, Carlos Sarrado, Estelle Kalfon-Cohen et Pedro Camanho.
Croissance forestière
Au MIT, Wardle est directeur du necstlab (prononcé « prochain laboratoire »), où lui et son groupe ont développé pour la première fois le concept de nanostitching. L’approche consiste à “faire pousser” une forêt de nanotubes de carbone alignés verticalement – des fibres creuses de carbone, chacune si petite que des dizaines de milliards de nanotubes peuvent se trouver dans une zone plus petite qu’un ongle. Pour faire croître les nanotubes, l’équipe a utilisé un processus de dépôt chimique en phase vapeur pour faire réagir divers catalyseurs dans un four, provoquant ainsi le dépôt de carbone sur une surface sous forme de minuscules supports ressemblant à des cheveux. Les supports sont finalement retirés, laissant derrière eux une forêt dense de rouleaux de carbone microscopiques et verticaux.
Le laboratoire a déjà montré que les forêts de nanotubes peuvent être cultivées et adhérées à des couches de matériau composite, et que ce composé renforcé de fibres améliore la résistance globale du matériau. Les chercheurs ont également constaté des signes indiquant que les fibres peuvent améliorer la résistance d’un composite aux fissures entre les couches.
Dans leur nouvelle étude, les ingénieurs ont examiné plus en profondeur la région entre les couches des composites pour tester et quantifier la façon dont les nanocoutures amélioreraient la résistance de cette région aux fissures. En particulier, l’étude s’est concentrée sur un matériau composite avancé appelé stratifié en fibre de carbone à fine couche.
“Il s’agit d’une technologie composite émergente, dans laquelle chaque couche, ou pli, a une épaisseur d’environ 50 microns, par rapport aux plis composites standard qui mesurent 150 microns, soit environ le diamètre d’un cheveu humain. Il existe des preuves suggérant qu’ils sont meilleurs que les plis standards. Et nous voulions voir s’il pouvait y avoir une synergie entre notre nano-couture et cette technologie à couche mince, car elle pourrait conduire à des avions plus résilients, à des structures aérospatiales de grande valeur et à des véhicules spatiaux et militaires”, explique Wardle.
Poignée velcro
Les expériences de l’étude ont été dirigées par Carolina Furtado, qui a rejoint les efforts dans le cadre du programme MIT-Portugal en 2016, a poursuivi le projet en tant que postdoctorant et est maintenant professeur à l’Université de Porto au Portugal, où ses recherches portent sur la modélisation. fissures et dommages dans les composites avancés.
Dans ses tests, Furtado a utilisé les techniques de dépôt chimique en phase vapeur du groupe pour développer des forêts densément peuplées de nanotubes de carbone alignés verticalement. Elle a également fabriqué des échantillons de stratifiés en fibre de carbone à fine couche. Le composite avancé résultant mesurait environ 3 millimètres d’épaisseur et comprenait 60 couches, chacune constituée de fibres rigides et horizontales noyées dans une feuille de polymère.
Elle a transféré et collé la forêt de nanotubes entre les deux couches intermédiaires du composite, puis a cuit le matériau dans un autoclave pour le durcir. Pour tester la résistance aux fissures, les chercheurs ont placé une fissure sur le bord du composite, juste au début de la région située entre les deux couches intermédiaires.
“Lors des tests de fracture, nous commençons toujours par une fissure, car nous voulons tester si, comment et jusqu’où la fissure va se propager”, explique Furtado.
Les chercheurs ont ensuite placé des échantillons du composite renforcé de nanotubes dans une configuration expérimentale pour tester leur résilience au « délaminage », ou le potentiel de séparation des couches.
“Il existe de nombreuses façons d’amener les précurseurs au délaminage, par exemple à partir d’impacts tels que la chute d’un outil, un impact d’oiseau, un rebond de piste dans un avion, et il ne peut y avoir presque aucun dommage visible, mais en interne, il y a un délaminage”, explique Wardle. “Tout comme un humain, si vous avez une fracture capillaire dans un os, ce n’est pas bon. Ce n’est pas parce que vous ne pouvez pas voir que cela ne vous affecte pas. Et les dommages dans les composites sont difficiles à inspecter.”
Pour examiner le potentiel du nanostitching à prévenir le délaminage, l’équipe a placé ses échantillons dans une configuration permettant de tester trois modes de délaminage, dans lesquels une fissure pourrait se propager à travers la région entre les couches et décoller les couches ou les faire glisser les unes contre les autres, ou faire une combinaison des deux. Ces trois modes sont les moyens les plus courants par lesquels les composites conventionnels peuvent s’écailler et s’effriter intérieurement.
Les tests, au cours desquels les chercheurs ont mesuré avec précision la force nécessaire pour peler ou cisailler les couches du composite, ont révélé que les nano-coutures tenaient bon et que la fissure initiale créée par les chercheurs ne pouvait pas se propager davantage entre les couches. Les échantillons nano-cousus étaient jusqu’à 62 % plus résistants aux fissures que le même matériau composite avancé qui était maintenu ensemble avec des polymères conventionnels.
“Il s’agit d’une nouvelle technologie composite, turbocompressée par nos nanotubes”, explique Wardle.
Les chercheurs envisagent que tout véhicule ou structure intégrant des composites conventionnels pourrait être rendu plus léger, plus résistant et plus résistant grâce aux nanocoutures.
“Vous pourriez avoir un renforcement sélectif des zones problématiques, pour renforcer les trous ou les joints boulonnés, ou les endroits où un délaminage pourrait se produire”, explique Furtado. “Cela ouvre une grande fenêtre d’opportunité.”
2024-04-17 05:47:22
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