Un fondoir à arc sous vide fabriquant des NiTiHf HTSMA, un nouveau matériau intelligent aux nombreuses applications potentielles. Crédit :Université A&M du Texas
Un groupe de nouveaux matériaux intelligents découverts par des chercheurs de la Texas A&M University et leurs collègues a le potentiel d'améliorer considérablement l'efficacité de la consommation de carburant dans les moteurs à réaction, réduire le coût du vol. Les matériaux, ce qui pourrait également réduire le bruit des avions au-dessus des zones résidentielles, ont des applications supplémentaires dans une variété d'autres industries.
"Ce qui m'excite, c'est que nous venons de gratter la surface de quelque chose de nouveau qui pourrait non seulement ouvrir un tout nouveau domaine de recherche scientifique, mais aussi permettre de nouvelles technologies, " a déclaré le Dr Ibrahim Karaman, Professeur Chevron I et chef du département de science et génie des matériaux de l'université.
L'ouvrage a été publié en Scripta Materialia . Les co-auteurs de Karaman sont Demircan Canadinc, Guillaume Trehern, et Ji Ma de Texas A&M, et Fanping Sun et Zaffir Chaudhry, Technical Fellow du United Technologies Research Center (UTRC).
La découverte est basée sur le rapprochement de deux domaines relativement nouveaux de la science des matériaux impliquant des alliages métalliques, ou des métaux composés de deux éléments ou plus. Le premier domaine concerne les alliages à mémoire de forme, des matériaux "intelligents" pouvant passer d'une forme à une autre avec des déclencheurs spécifiques, dans ce cas la température. Imaginez une tige de métal droite qui est pliée dans un tire-bouchon. En changeant la température, le tire-bouchon redevient une tige et vice versa.
De nombreuses applications
De nombreuses applications potentielles des alliages à mémoire de forme impliquent des environnements extrêmement chauds comme un moteur à réaction en fonctionnement. Jusqu'à maintenant, cependant, alliages économiques à mémoire de forme à haute température, (HTSMA), n'ont fonctionné qu'à des températures allant jusqu'à environ 400 degrés Celsius. L'ajout d'éléments comme l'or ou le platine peut augmenter considérablement cette température, mais les matériaux qui en résultent sont beaucoup trop chers, entre autres limites.
Une flamme chauffe les HTSMA NiTiHf à l'intérieur d'un appareil de fusion à arc sous vide pendant la fabrication du matériau. Crédit :Dharmesh Patel
Karaman, en travaillant sur un projet de la NASA avec l'UTRC et ses collègues, a commencé cette recherche pour répondre à une problématique précise :le contrôle de la clairance, ou l'espace, entre les aubes de turbine et le carter de turbine dans un moteur à réaction. Un moteur à réaction est le plus économe en carburant lorsque l'écart entre les aubes de turbine et le boîtier est minimisé. Cependant, ce dégagement doit avoir une marge juste pour faire face à des conditions d'exploitation particulières. Les HTSMA incorporés dans le carter de la turbine pourraient permettre le maintien du jeu minimum dans tous les régimes de vol, améliorant ainsi la consommation de carburant spécifique à la poussée.
Une autre application potentielle importante des HTSMA est la réduction du bruit des avions lorsqu'ils arrivent dans un aéroport. Les avions avec des tuyères d'échappement plus grandes sont plus silencieux, mais moins efficace dans l'air. Les HTSMA pourraient modifier automatiquement la taille de la tuyère d'échappement principale selon que l'avion est en vol ou en train d'atterrir. Un tel changement, déclenchée par les températures associées à ces modes de fonctionnement, pourrait permettre à la fois un fonctionnement plus efficace dans les airs et des conditions plus silencieuses au toucher des roues.
Karaman et ses collègues ont décidé d'essayer d'augmenter les températures de fonctionnement des HTSMA en appliquant les principes d'une autre nouvelle classe de matériaux, alliages à haute entropie, qui sont composés de quatre éléments ou plus mélangés ensemble en quantités à peu près égales. L'équipe a créé des matériaux composés de quatre éléments ou plus connus pour former des alliages à mémoire de forme (nickel, titane, hafnium, zirconium et palladium), mais délibérément omis l'or ou le platine.
"Lorsque nous avons mélangé ces éléments dans des proportions égales, nous avons constaté que les matériaux résultants pouvaient fonctionner à des températures bien supérieures à 500 degrés C - l'un fonctionnait à 700 degrés C - sans or ni platine. C'est une découverte, " a déclaré Karaman. " C'était aussi inattendu parce que la littérature suggérait le contraire. "
Comment fonctionnent les nouveaux matériaux ? Karaman a dit qu'ils ont des idées sur la façon dont ils fonctionnent à des températures aussi élevées, mais n'ont pas encore de théories solides. À cette fin, les travaux futurs consistent à essayer de comprendre ce qui se passe à l'échelle atomique en effectuant des simulations informatiques. Les chercheurs visent également à explorer des moyens d'améliorer encore plus les propriétés des matériaux. Karaman note, cependant, que de nombreuses autres questions demeurent.
"C'est pourquoi je pense que cela pourrait ouvrir un tout nouveau domaine de recherche, " a-t-il dit. " Alors que nous poursuivrons nos propres efforts, nous sommes ravis que d'autres se joignent désormais à nous pour qu'ensemble nous puissions repousser les limites de la science."
