Dans une découverte qui pourrait ouvrir la voie à de nouveaux matériaux et applications, Les scientifiques des matériaux de l'Institut polytechnique Rensselaer ont découvert que les charges oscillantes à certaines fréquences peuvent conduire à plusieurs augmentations de la résistance des composites avec une interface modifiée par une couche moléculaire de "nanoglue".

Un article récemment publié dans Communication Nature rapporte la découverte inattendue des effets de la fréquence de chargement sur l'énergie de rupture d'un composite multicouche impliquant une "nanoglue, " dont l'utilisation a également été pionnière chez Rensselaer.

"Déterrement, entente, et la manipulation de phénomènes à l'échelle nanométrique aux interfaces lors de stimuli dynamiques est une clé pour concevoir de nouveaux matériaux avec de nouvelles réponses pour les applications, " dit Ganpati Ramanath, le professeur John Tod Horton de science et d'ingénierie des matériaux à Rensselaer et l'auteur principal de l'étude. "Notre travail démontre que l'introduction d'une couche de nanocolle à l'interface d'un composite en couches peut conduire à un durcissement mécanique important à certaines fréquences de chargement."

Ramanath et son équipe de collaborateurs ont découvert que, à certaines fréquences de chargement, l'énergie nécessaire à la rupture d'un composite polymère-métal-céramique modifié par nanocolle a triplé, et a dépassé l'énergie de rupture sous charge statique. Ce comportement est inattendu et significatif car l'énergie de rupture est généralement plus faible pendant le chargement cyclique qu'elle ne l'est pendant le chargement statique. Un tel durcissement dépendant de la fréquence n'a été observé que lorsqu'une couche de nanocolle a été utilisée pour lier le métal et la céramique.

Les résultats montrent également que si la nanocouche est nécessaire pour que le durcissement se produise, la gamme de fréquences et l'étendue du durcissement sont principalement déterminées par les propriétés mécaniques du polymère dans le composite. Spécifiquement, la nanocolle facilite le transfert de charge à travers l'interface métal-céramique et dissipe l'énergie dans le polymère par déformation plastique, entraînant une augmentation de l'énergie de rupture.

"Notre découverte ouvre un tout nouvel ensemble de possibilités pour concevoir des composites avec de nouvelles réponses en utilisant différentes combinaisons de polymères et de nanocouches interfaciales. Par exemple, nous pourrions réaliser une toute nouvelle classe de composites intelligents qui peuvent considérablement durcir, ou peut-être même s'autodétruire, à certaines fréquences, " dit Ramanath.

"Nos découvertes de couplages bénéficiaires entre l'effet nanoglue et les propriétés d'un constituant dans un composite lors d'un chargement cyclique ouvrent un nouveau paradigme en ingénierie de la fiabilité, " a déclaré le co-auteur Michael Lane, le professeur de chimie Billie Sue Hurst à Emory &Henry College. "La manipulation du couplage peut en fait rendre les composites plus robustes uniquement dans les conditions de charge que nous avons traditionnellement essayé d'éviter, et donc, peut considérablement étendre la portée et améliorer les performances des composites dans les applications. »