Lorsqu'un véhicule se déplace dans l'espace à des vitesses hypersoniques, les gaz qui l'entourent génèrent de la chaleur à des températures dangereuses pour le pilote et l'instrumentation à l'intérieur. Concevoir un véhicule qui peut chasser la chaleur nécessite une compréhension des propriétés thermiques des matériaux utilisés pour le construire. Une récente étude en deux parties à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign a développé une méthode pour créer des modèles 3D des fibres dans les matériaux composites, puis a utilisé ces informations pour prédire la conductivité thermique du matériau.

"Nous avons utilisé la microtomographie à rayons X pour créer des images 3D qui montrent l'orientation des fibres, " a déclaré Francesco Panerai, membre du corps professoral du Département de génie aérospatial de l'UIUC. « Dans la plupart des applications d'ingénierie, nous utilisons des matériaux composites à base de fibres de carbone, mais la méthode que nous avons développée peut être appliquée à n'importe quel type de fibre et à n'importe quel type de composite."

Panerai a déclaré que la microtomographie est similaire à un scanner à l'hôpital, mais avec des rayons X à haute énergie qui peuvent détecter des détails fins dans les microfibres, qui sont une fraction du diamètre d'un seul cheveu humain.

« Les images montrant comment les fibres sont organisées sont bien plus que de jolies images - elles sont une description du matériau dans une grille en trois dimensions. Nous pouvons maintenant utiliser les données de la grille en 3D pour effectuer des simulations afin de calculer les propriétés du matériau. pour lequel vous auriez autrement à faire des expériences compliquées, " a déclaré Panerai.

Dans la première partie de l'étude, Panerai et ses collègues ont testé trois méthodes différentes pour visualiser les fibres. « Nous avons découvert que, parce que différents matériaux sont constitués de différentes architectures, certaines méthodes fonctionnaient mieux avec certaines fibres et tissages qu'avec d'autres."

Par exemple, l'étude a conclu que l'approche omniprésente du tenseur de structure montrait de très bonnes performances en ligne droite, fibres aléatoires, mais n'a pas réussi à estimer avec précision l'orientation d'un tissage dense dans deux directions.

Une autre méthode basée sur le flux artificiel a démontré des performances relativement bonnes sur des échantillons tissés bidirectionnels, mais il a échoué sur les fibres aléatoires droites.

La nouvelle méthode de coulée par rayons s'est révélée prometteuse pour devenir une approche puissante pour estimer l'orientation des matériaux fibreux avec peu de courbure. Mais, son principal inconvénient est le coût de calcul élevé.

"Maintenant que nous pouvons suivre la direction des fibres dans l'espace et déterminer l'espace entre elles, nous pouvons calculer la propriété matérielle, dans ce cas sa conductivité thermique, en trois dimensions et ont des valeurs très précises.

"Et, mesurer la conductivité expérimentalement, vous auriez besoin de faire trois expériences, un pour chaque sens. Grâce à cette nouvelle méthode, nous pouvons calculer le tenseur et prédire les propriétés dans les trois directions beaucoup plus rapidement et à moindre coût."

Panerai a déclaré que cette nouvelle méthode pour visualiser les fibres et la capacité éprouvée à déterminer les propriétés des matériaux peuvent aider à réorganiser les matériaux.

"Nous pouvons utiliser une architecture de fibre très spécifique pour atteindre une certaine propriété telle que la résistance ou la conductivité, " dit-il. " La conductivité thermique est quelque chose que tout le monde qui travaille sur des matériaux à haute température essaie d'estimer. Cela semble être une propriété très simple, mais c'est très difficile à mesurer, en particulier pour les matériaux tridimensionnels. C'est ce qui est remarquable dans la puissance de cette méthode."

Frédéric Semeraro, auteur principal de l'étude au NASA Ames Research Center, mentionné, « Le calcul de la conductivité thermique est essentiel pour prédire de manière fiable une réponse du bouclier thermique. De plus, la méthodologie et les méthodes numériques qui ont été développées sont suffisamment flexibles pour permettre le calcul de nombreuses propriétés des matériaux. Une compréhension globale du comportement d'un bouclier thermique permettra à terme d'optimiser sa conception."

Première partie de la recherche, "Analyse anisotrope des matériaux fibreux et tissés partie 1 :Estimation de l'orientation locale, " a été écrit par Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Francesco Panerai, Robert J. King, et Nagi N. Mansour. Il apparaît dans Science des matériaux computationnelle .

Deuxième partie de la recherche, "Analyse anisotrope des matériaux fibreux et tissés partie 2 :Calcul de la conductivité effective, " a été écrit par Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Marcos Acin, Francesco Panerai, et Nagi N. Mansour et est publié dans Science des matériaux computationnelle .