Illustration schématique du test d'impact de microparticules induit par laser Crédit :U.S. Army Research Laboratory
Des chercheurs de l'armée et du MIT ont mis au point un dispositif expérimental unique pour mieux tester la durabilité des matériaux polymères hautes performances et robustes qui semblent se renforcer sous l'attaque d'un impact rapide.
Le Dr Alex Hsieh du Laboratoire de recherche de l'armée, avec le professeur Keith A. Nelson, Dr David Veysset et Dr Steven Kooi, de l'Institut de l'armée pour la nanotechnologie du soldat au MIT, découvert que lorsque des cibles en élastomères de poly(uréthane urée) ou PUU sont impactées à très grande vitesse par des microparticules de silice, la cible PUU montre un comportement hyperélastique. C'est-à-dire, ils deviennent extrêmement rigides lorsqu'ils sont déformés à des vitesses de déformation de l'ordre de 108/s ? ce qui signifie approximativement que le matériau de la cible se déforme jusqu'à la moitié de son épaisseur d'origine en un temps extrêmement court égal à une seconde divisée par cent millions. Les PUU rebondissent également après l'impact, dit Hsieh.
Le dispositif de test utilise un laser pulsé pour tirer des balles de la taille d'un micromètre sur des cibles constituées de PUU. Les chercheurs ont trouvé, pour la première fois, « des comportements qui contrastent grandement avec la réponse à l'impact observée dans un élastomère de polydiméthylsiloxane réticulé où les microparticules ont pénétré la cible et le matériau de la cible n'a pas rebondi ou n'a pas complètement récupéré. »
Les scientifiques affirment que leur découverte sur les élastomères en vrac peut aider à concevoir des matériaux matriciels pour les composites pour la future génération de casques de combat de l'armée américaine. Le casque de combat amélioré de l'armée utilise des composites à base de fibres de polyéthylène ou de fibres UHMWPE à très haut poids moléculaire. Ces fibres ont une résistance à la rupture élevée, par unité de section transversale, une quinzaine de fois plus solide que l'acier mais sont souples comme des tissus.
Les conceptions traditionnelles de matériaux d'armure incluent la céramique, métaux et composites légers renforcés de fibres pour la protection des soldats et des véhicules qui sont généralement basés sur la rigidité ? la résistance d'un matériau à la déformation ? et la ténacité ? la capacité d'absorber l'énergie et de se déformer plastiquement avant la rupture.
Contraste entre la réponse à l'impact à vitesse de déformation élevée observée dans (a) PUU et (b) élastomères de polydiméthylsiloxane sous impact de microparticules induit par laser Crédit :U.S. Army Research Laboratory
Mais du point de vue de la science des matériaux, ces mesures de volume standard ne sont pas suffisantes à elles seules pour quantifier à quelle vitesse les molécules d'un solide polymère peuvent changer leur mobilité par rapport au taux de déformation, ni la propension au changement de leur état physique respectif lors de la déformation dynamique ? c'est-à-dire que les élastomères pourraient changer du caoutchouc au verre lorsqu'ils sont déformés à des vitesses de plus en plus élevées ?
Hsieh a déclaré que l'équipe s'est concentrée sur les polymères, qui sont constitués d'un très grand nombre de petites unités moléculaires qui s'enchaînent pour former de très longues chaînes, qui peut être bien organisé ou emballé au hasard. Spécifiquement, des matériaux polymères solides comme des lunettes de sécurité résistant aux chocs ou flexibles comme des caoutchoucs. Les élastomères sont une classe de caoutchoucs synthétiques, qui peut être synthétisé à partir d'une large gamme de chimies de polymères. "Ils ont généralement un module d'Young faible, ce qui signifie une faible résistance à la déformation élastique sous charge aux conditions ambiantes, et une contrainte de rupture plus élevée ? la capacité de supporter une quantité significativement plus élevée de tension avant la défaillance ? que la plupart des matières plastiques, " il expliqua.
Pour valider davantage l'influence moléculaire, l'équipe a mené des études approfondies sur les PUU avec un polycarbonate vitreux. Alors que le polycarbonate est connu pour sa haute résistance à la rupture et sa résistance balistique, ces PUU, quelle que soit leur composition respective, présentait un plus grand raidissement dynamique lors de l'impact à des vitesses de déformation de l'ordre de 108/s. Par ailleurs, la résistance à la pénétration de la microparticule peut être optimisée, c'est-à-dire qu'une réduction d'environ 50 % de la profondeur maximale moyenne de pénétration a été obtenue en faisant simplement varier la composition moléculaire des PUU.
"C'est très excitant." a déclaré le Dr Hsieh "Voir c'est croire. Une nouvelle compréhension de ces découvertes de recherche - l'essence du phénomène hyperélastique dans les élastomères en vrac, en particulier au moment de l'interaction cible/impulsion ? nouveau paradigme de conception pour des matériaux robustes."
Les PUU sont connus pour avoir une microstructure complexe ainsi qu'une large gamme de temps de relaxation - les caractéristiques qui sont utilisées pour refléter l'efficacité avec laquelle les molécules des chaînes polymères répondent à une impulsion externe. Spécifiquement, pour les molécules PUUs avec des temps de relaxation plus longs de l'ordre de la microseconde aux conditions ambiantes, par exemple., dynamique plus lente, permettant un raidissement dynamique, tandis que ceux avec des temps de relaxation de la nanoseconde dans des conditions ambiantes étaient capables de fournir une absorption d'énergie supplémentaire vers un renforcement dynamique. Ces caractéristiques viscoélastiques montrent que les élastomères ainsi que d'autres matériaux polymères peuvent se déformer de différentes manières en fonction de la vitesse à laquelle ils se déforment.
Image de microscopie électronique à balayage révélant une indentation permanente à la surface du polycarbonate contrairement aux PUU où aucun dommage n'a été observé après impact par des microparticules de silice. Crédit :Laboratoire de recherche de l'armée américaine
L'équipe a émis l'hypothèse qu'un mécanisme de relaxation moléculaire coopératif ? ressemblant à un phénomène de résonance de mouvements moléculaires "de type cotte de mailles" oscillant chacun à des fréquences spécifiques pour dissiper l'énergie absorbée. Ces caractéristiques de renforcement et de raidissement dynamiques pourraient vraisemblablement être facilitées par la liaison hydrogène intermoléculaire présente dans tout le réseau réticulé physiquement dans les PUU. En revanche, la relaxation de la microseconde dans les conditions ambiantes n'est pas présente dans le polycarbonate, pas plus que la liaison hydrogène et le mécanisme moléculaire correspondant ne sont disponibles dans le polycarbonate, malgré sa ténacité et sa résistance aux chocs. Ainsi, Les PUU ou élastomères haute performance avec des temps de relaxation multiples sont grandement souhaités et essentiels pour permettre à la fois le renforcement dynamique et le raidissement dynamique sur une échelle temporelle allant de la microseconde à la nanoseconde.
Ces observations uniques ont été élaborées dans un article récemment publié dans Polymère , 123 (2017) 30-38.
Pendant ce temps, matériaux comme le polyuréthane, similaire à PUU, car les élastomères matriciels ont mieux résisté à la déformation de la face arrière trouvée dans les composites UHMWPE légers. Il s'agit essentiellement du flambage du matériau à l'intérieur des casques de combat qui transfère des forces importantes au crâne et provoque un traumatisme contondant. PUU, polyuréthanes et élastomères similaires, Hsieh a dit, qui présentent un renforcement dynamique dans les déformations à haute vitesse et réduisent de manière significative la déformation du casque sous l'impact, pour l'intégration avec des fibres de pointe, peut être d'une grande utilité pour les futurs casques de combat.
En plus des casques de combat, d'autres applications potentielles d'élastomères robustes à hautes performances pour la protection des soldats comprennent, sans s'y limiter, les écrans faciaux transparents, écrans faciaux mandibulaires, gilets balistiques, équipement de protection des extrémités, et des bottes de combat résistantes aux explosions.
Il est également envisagé que cette découverte de recherche sur le phénomène hyperélastique des PUU, en particulier au moment de l'impact à très grande vitesse, traverse également des domaines prévisibles tels que la protection des joueurs de football professionnels et des jeunes athlètes contre les commotions cérébrales ou toute autre lésion cérébrale provoquée par les collisions. Du point de vue de la conception des matériaux, des élastomères robustes hautes performances peuvent être utilisés comme couches les plus externes du casque ou simplement pour remplacer la coque en polycarbonate, dit Hsieh.
