Les formes cellulaires des matériaux naturels sont à l’origine d’un nouveau matériau léger et intelligent, imprimé en 3D et développé par une équipe internationale d’ingénieurs.
L’équipe, dirigée par des ingénieurs de l’Université de Glasgow, a mélangé une forme courante de plastique industriel avec des nanotubes de carbone pour créer un matériau plus résistant, plus résistant et plus intelligent que les matériaux conventionnels comparables.
Les nanotubes permettent également au plastique autrement non conducteur de transporter une charge électrique dans toute sa structure. Lorsque la structure est soumise à des charges mécaniques, sa résistance électrique change. Ce phénomène, connu sous le nom de piézorésitivité, donne au matériau la capacité de « sentir » sa santé structurelle.
En utilisant des techniques d’impression 3D avancées qui offrent un haut niveau de contrôle sur la conception des structures imprimées, ils ont pu créer une série de conceptions complexes avec une architecture poreuse à moyenne échelle, ce qui aide à réduire le poids global de chaque conception et à maximiser les performances mécaniques.
Les conceptions cellulaires de l’équipe sont similaires aux matériaux poreux trouvés dans le monde naturel, comme les ruches, les éponges et les os, qui sont légers mais robustes.
Les chercheurs pensent que leurs matériaux cellulaires pourraient trouver de nouvelles applications dans la médecine, les prothèses et la conception automobile et aérospatiale, où des matériaux résistants à faible densité et dotés d’une capacité trop auto-sensée sont en demande.
La recherche est disponible en ligne sous forme de premier article dans la revue Matériaux d’ingénierie avancés.
Dans l’article, les chercheurs décrivent comment ils ont étudié les caractéristiques d’absorption d’énergie et d’auto-détection de trois modèles différents de nano-ingénierie qu’ils ont imprimés à l’aide de leur matériau personnalisé, qui est fabriqué à partir de copolymère aléatoire de polypropylène et de nanotubes de carbone à parois multiples.
Sur les trois conceptions testées, ils ont découvert que l’une présentait la combinaison la plus efficace de performances mécaniques et de capacité d’auto-détection – un «réseau de plaques» en forme de cube, qui incorporait des feuilles plates étroitement emballées.
La structure en treillis, lorsqu’elle est soumise à une compression monotone, montre une capacité d’absorption d’énergie similaire aux mousses de nickel de même densité relative. Il a également surpassé un certain nombre d’autres matériaux conventionnels de même densité.
La recherche a été dirigée par le Dr Shanmugam Kumar de la James Watt School of Engineering de l’Université de Glasgow, aux côtés de ses collègues, le professeur Vikram Deshpande de l’Université de Cambridge et le professeur Brian Wardle du Massachusetts Institute of Technology.
Le Dr Kumar a déclaré : « La nature a beaucoup à apprendre aux ingénieurs sur la façon d’équilibrer les propriétés et la structure pour créer des matériaux légers à haute performance. Nous nous sommes inspirés de ces formes pour développer nos nouveaux matériaux cellulaires, qui offrent des avantages uniques par rapport à leur production conventionnelle. homologues et peuvent être ajustés avec précision pour manipuler leurs propriétés physiques.
« Le copolymère aléatoire de polypropylène que nous avons choisi offre une meilleure aptitude au traitement, une meilleure résistance à la température, une meilleure consistance du produit et une meilleure résistance aux chocs. Les nanotubes de carbone contribuent à le rendre mécaniquement robuste tout en lui conférant une conductivité électrique. Nous pouvons choisir l’étendue de la porosité dans la conception et l’architecture de la géométrie poreuse pour améliorer les propriétés mécaniques spécifiques à la masse.
« Des matériaux légers, plus résistants et à détection automatique comme ceux-ci ont un grand potentiel pour des applications pratiques. Ils pourraient aider à fabriquer des carrosseries de voiture plus légères et plus efficaces, par exemple, ou des orthèses dorsales pour les personnes souffrant de problèmes comme la scoliose capables de détecter quand leur corps ne reçoivent pas un support optimal. Ils pourraient même être utilisés pour créer de nouvelles formes d’électrodes architecturées pour les batteries.
L’article de l’équipe, intitulé « Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabled by additive manufacturing », est publié dans Matériaux d’ingénierie avancés.
Jabir Ubaid et al, Multifonctionnalité des réseaux d’auto-détection de nano-ingénierie activés par la fabrication additive, Matériaux d’ingénierie avancés (2022). DOI : 10.1002/adem.202200194