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Des chercheurs de la base aérienne de Wright-Patterson cherchent à breveter un nouveau procédé de fabrication d'un type de matériau appelé nanoparticules précéramiques greffées de polymères, ou « nanoparticules poilues » (HNP).
Un HNP est un matériau hybride constitué d'une coque polymère liée à un noyau de nanoparticules solides. Le polymère - une chaîne de molécules répétitives - forme le "cheveu" autour de la nanoparticule, qui est à peu près la taille d'un petit virus.
Bien que les HNP existent depuis de nombreuses années, ce qui rend celui-ci différent, c'est le type de polymère attaché à la particule centrale. C'est un polymère pré-céramique, une classe spéciale de polymère utilisé dans la formation de fibres céramiques et de composites à hautes performances.
"Le polymère spécial utilisé dans notre processus est ce qui distingue notre travail, " a déclaré le chef du projet, le Dr Matthew Dickerson. " Les chercheurs ont fabriqué ce type de nanoparticules velues dans le passé, mais ils ont utilisé des polymères organiques comme le polystyrène. Notre polymère est différent; il est inorganique car il contient du silicium. C'est un peu comme les silicones (calfeutrage), qui ont un squelette de répétitions de silicium et d'oxygène, mais le nôtre a une épine dorsale de répétitions de silicium et de carbone."
Membres de l'équipe de recherche Matériaux et transformations céramiques, de gauche à droite :Mme Christina Thompson, Rue du Dr Dayton, Dr Kara Martin et Dr Matthew Dickerson. Crédit :U.S. Air Force photo/Karen Schlesinger
Cette chimie du silicium et du carbone permet au polymère de se transformer en une céramique de carbure de silicium lorsqu'il est chauffé à des températures élevées.
Les HNP issus de ce procédé particulier seront utilisés dans la fabrication de pièces aéronautiques en matériau composite céramique. « Les composites céramiques sont utilisés pour les applications à haute température de l'US Air Force qui bénéficient de matériaux de densité inférieure à celle des métaux, y compris les composants des moteurs à réaction et des véhicules hypersoniques, " a déclaré Dickerson. " Les HNP que nous avons synthétisés sont prévus pour ce type d'applications. "
Ce matériau hybride spécial, cependant, ne se fait pas simplement en mélangeant le polymère et les nanoparticules et en espérant le meilleur. "Un simple mélange donnerait quelque chose comme un mastic ou un mélange cassant, " dit Dickerson, « mais le matériau hybride que nous obtenons s'écoule davantage comme de la mélasse, il s'écoulera donc plus facilement dans une céramique poreuse. »
Lors de la fabrication d'un composite à matrice céramique, les matériaux utilisés pour lier les fibres céramiques rétrécissent considérablement. Ce rétrécissement entraîne des fissures et des vides qui doivent être rebouchés, ou infiltré. L'une des exigences les plus importantes du matériau hybride constitué de HNP est qu'il doit s'écouler facilement afin qu'il puisse s'infiltrer dans ces vides.
Avec les processus de pointe actuels, la céramique doit subir plusieurs cycles (six à dix) d'infiltration pour atteindre la densité souhaitée. Le nouveau procédé décrit dans la demande de brevet, ainsi que dans un article récemment publié dans Chimie des Matériaux , donne un matériau qui pourrait potentiellement réduire de moitié environ le nombre de cycles d'infiltration, d'où un meilleur rapport coût-efficacité, composant plus rapide à produire.
Même avec les propriétés supérieures à haute température des composites céramiques par rapport aux composants métalliques conventionnels, la réduction de leur coût est essentielle pour permettre leur utilisation généralisée dans les applications exigeantes de l'armée de l'air.
Le projet a été financé par l'Air Force Office of Scientific Research. « Cette recherche est une avancée technologique majeure dans la synthèse de nanocomposites céramiques, a déclaré le Dr Ming-Jen Pan, Chargé de programme chez AFOSR. "Il offre un contrôle sans précédent de la nanostructure des matériaux hybrides. Je suis enthousiasmé par les possibilités que cette découverte apporte à la conception et au traitement des futurs matériaux composites."
Un financement supplémentaire a été reçu pour examiner comment la chimie des matériaux dicte leurs propriétés.
"C'était un projet difficile à réaliser. Il a fallu près de trois ans pour bien faire les choses, " a déclaré Dickerson. " C'était une vraie victoire pour Kara, " il ajouta, se référant à la chercheuse scientifique Dr Kara L. Martin. « Développer la procédure de synthèse chimique pour fabriquer ces particules est très difficile. Ses idées neuves et sa ténacité lui ont permis de mener le projet à bien. »
