Tests de structure et de rhéologie du fluide MR en réponse aux champs magnétiques appliqués. (A) Image optique du fluide MR formant une piscine liquide sur un substrat plan en l'absence de champ magnétique. (B) Image optique du fluide MR en formation ordonnée, colonnes en forme de lame en présence d'un champ magnétique. (C) Graphique rhéologique de la viscosité relative à l'état d'équilibre du fluide MR, qui augmente avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique appliqué. Le champ hors viscosité à l'état d'équilibre est de 140 cP. (D) Graphique rhéologique démontrant le temps de réponse du fluide MR à diverses intensités de champ magnétique. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau6419
Dans une étude récente publiée dans Avancées scientifiques , les scientifiques des matériaux Julie A. Jackson et ses collègues ont présenté une nouvelle classe d'architecture de matériaux appelée métamatériaux mécaniques sensibles au champ (FRMM). Les FRMM présentent un contrôle dynamique et une accordabilité à la volée pour la conception et la sélection de la composition et de la structure de la construction. Typiquement, les propriétés des métamatériaux mécaniques sont programmées et fixées lors de la conception et de la construction de l'architecture, sans changer en réponse à l'évolution des conditions environnementales externes ou des applications par la suite. Les diverses caractéristiques des FRMM ont d'abord été démontrées en imprimant des structures complexes de tubes polymères remplis de suspensions fluides magnétorhéologiques (MR) pour permettre à des champs magnétiques à distance de contrôler les matériaux. Par conséquent, les scientifiques ont observé rapide, des changements réversibles et importants de la rigidité effective dans les nouvelles constructions en métamatériaux.
Les matériaux synthétiques imitent souvent les structures cellulaires telles que les dents, os et becs d'oiseau dans la nature pour reproduire leur excellente résistance et ténacité par rapport à la densité. Les matériaux avancés sont issus de la bio-ingénierie pour imiter les structures cellulaires stochastiques (aléatoires) sous la forme de polymères et de mousses métalliques pour des applications structurelles et fonctionnelles. La nature peut aussi créer des architectures périodiques par conception évolutive, où les structures cellulaires ordonnées surpassent les homologues stochastiques comme on le voit avec les coquilles d'armure défensives et les massues dactyles chez les crustacés. Dans le laboratoire, les techniques de fabrication additive et l'impression 3D sont utilisées pour concevoir des structures cellulaires avec des nano-, micro-, caractéristiques à méso- et macro-échelle qui présentent des combinaisons uniques de mécanique, propriétés fonctionnelles et thermiques. Souvent appelés métamatériaux, les structures ont démontré des caractéristiques innovantes, comprenant:
Ces matériaux combinent deux ou plusieurs caractéristiques contrastées pour des propriétés uniques, mais leur architecture reste figée dans le temps après fabrication. Par conséquent, les matériaux ne peuvent pas répondre et s'adapter aux conditions extérieures changeantes. Les matériaux adaptables et réactifs sont de plus en plus conçus via l'impression 4D, dans laquelle la quatrième dimension représente le temps, émerge actuellement comme un nouveau domaine de recherche en science des matériaux.
Caractérisation d'une seule entretoise. (A et B) Illustrations schématiques de la façon dont la direction d'application du champ magnétique affecte le raidissement d'une jambe de force. (A) Dans le cas axial, un champ magnétique appliqué transversalement à la jambe de force ne produira aucune augmentation de la rigidité axiale, quelle que soit l'intensité du champ appliqué. (B) Dans le cas de la flexion, un champ magnétique appliqué perpendiculairement au déplacement n'aura aucun effet sur la rigidité en flexion, quelle que soit l'intensité du champ appliqué. (C) Image optique de vue latérale de la jambe de force en polymère creuse avant de remplir avec du fluide MR. L'encart est une micrographie par microscopie électronique à balayage de la section transversale de l'entretoise creuse en polymère. (D) Image optique de vue latérale après remplissage avec du fluide MR. Les dimensions de la jambe de force sont de 1,0 mm de diamètre intérieur (ID), 1,1 mm de diamètre extérieur (OD), épaisseur de paroi de 50 µm, et 5 mm de longueur (L). (E et F) Pente de déplacement de force par rapport à l'intensité du champ magnétique. (E) Compression uniaxiale montrant les résultats expérimentaux et l'étalonnage du modèle. L'encart est une illustration schématique de la configuration expérimentale vue de côté. (F) Pliage en porte-à-faux montrant les résultats expérimentaux et l'étalonnage du modèle. L'encart est une illustration schématique du montage expérimental vu de côté et en coupe transversale. Le tableau indique un résumé des constantes de matériau étalonnées. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau6419.
Le terme 4-D représente des matériaux imprimés en 3-D qui peuvent changer de forme ou de fonction en réponse à des conditions ou des stimuli externes, y compris la force mécanique, gonflement et champs magnétiques. Les démonstrations existantes, cependant, manquent de contrôle déterministe des propriétés mécaniques ou présentent une cinétique lente pour les transformations chimiques envisagées. Dans la présente étude, Jackson et al., révèlent une nouvelle classe de métamatériaux mécaniques sensibles au champ (FRMM) qui sont imprimés en 3D pour présenter des fonctions programmables, prédictif, propriétés mécaniques réversibles et contrôlées en réponse rapide à un champ magnétique distant.
Impression 3D et remplissage fluide MR de cellules unitaires. (A) Illustration schématique du processus d'impression 3D LAPμSL utilisé pour construire des entretoises, cellules unitaires, et des treillis. (B) Image optique d'une cellule unitaire cuboctaèdre polymère remplie de résine. (C) Image optique de cellules unitaires drainées (creuses) apposées avec une cire soluble sur les buses de la seringue pour le remplissage. (D) Images optiques d'un enregistrement time-lapse du remplissage de fluide MR en cours. (E à G) Image optique de la cellule unitaire avec des ports d'entrée (vert) et de sortie (rouge) séparés par différentes longueurs d'entretoise. (E) Ports séparés par une entretoise. (F) Ports séparés par deux entretoises. (G) Ports séparés par trois entretoises avec le plus haut degré de remplissage. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau6419
Les tubes ou entretoises en polymère creux imprimés en 3D qui forment les éléments constitutifs des réseaux ont été remplis de suspensions fluides magnétorhéologiques (MR). Les scientifiques ont utilisé le système LAPµSL pour l'impression 3D couche par couche personnalisée en projetant des motifs de lumière UV sur une résine photodurcissable pour construire des structures 3D à partir d'une pile d'images 2D. Pour la cohérence, ils ont répliqué un protocole précédemment établi sur la microstéréolithographie. Les fluides MR contenaient des microparticules ferromagnétiques dans des liquides non magnétiques qui pouvaient changer rapidement de viscosité en réponse à un champ magnétique appliqué. En l'absence de champ magnétique, le fluide MR avait un comportement de type liquide, avec des particules réparties de manière aléatoire qui s'écoulaient librement pour former une piscine sur un substrat plan. Lorsqu'un champ magnétique a été appliqué, les particules se sont alignées en chaînes le long des lignes de champ et ont formé un réseau spiculaire de structures en forme de lame qui ressemblaient à des dépôts de stalactites. La viscosité du fluide a augmenté de façon monotone pour atteindre un plateau de saturation à une intensité de champ magnétique de ~ 0,3 T.
Dans l'étude, des essais magnéto-mécaniques ont été menés avec compression et flexion en porte-à-faux. Chaque cylindre (jambe) a été rempli de fluide MR disponible dans le commerce, qui comprenait 50 pour cent de particules de fer carbonyle (allant de 4 à 20 µm) dans une huile stabilisatrice de particules d'hydrocarbure. Chaque test magnéto-mécanique a été répété à plusieurs intensités de champ magnétique, où le champ était aligné parallèlement à la direction de la force appliquée pour obtenir une série de courbes force-déplacement. Parmi les diverses orientations, la rigidité effective était la plus grande lorsque le champ appliqué était parallèle à la direction de la force. Les tests ont été utilisés pour calibrer le modèle au niveau d'une seule entretoise et finalement prédire la réponse au champ d'une architecture de réseau plus grande.
Les scientifiques ont utilisé une théorie de faisceau composite standard, où l'analyse a supposé la théorie de flexion d'Euler-Bernoulli pour dériver un modèle de la jambe de force. La théorie comprenait la rigidité élastique effective du fluide MR et la rigidité élastique des entretoises (module de Young). Le modèle analytique supposait une relation linéaire entre la résistance mécanique et l'augmentation du champ magnétique. Les expériences ont été maintenues en dessous de la valeur seuil de 0,3 T puisque le fluide MR a été précédemment observé saturer à cette valeur.
Caractérisation magnéto-mécanique de cellules unitaires cuboctaèdres. (A) Illustration schématique de la configuration expérimentale pour les tests mécaniques d'échantillons remplis de fluide MR avec une intensité de champ magnétique contrôlée en traduisant un aimant permanent à proximité ou à l'écart de l'échantillon tout en mesurant les propriétés mécaniques. (B) Graphique de la rigidité effective par rapport à l'intensité du champ magnétique pour la cellule unitaire cuboctaèdre montrant une augmentation de 62% de la rigidité de 0 à 0,18 T. L'encart est une image optique de la cellule unitaire remplie de fluide MR. (C) Graphique de charge en fonction du temps pour un exemple de cycle d'une cellule unitaire entre les états de champ désactivé (0,0 T) et de champ activé (0,10 T) pour mesurer les temps de réponse. (D) Illustration schématique de la façon dont les particules passent de structures ordonnées à structures désordonnées dans les entretoises remplies de fluide MR des cellules unitaires lors de l'application ou du retrait sur le terrain. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau6419
Les scientifiques ont montré la faisabilité de l'approche de fabrication et de test mécanique pour des architectures plus complexes en imprimant en 3D des cellules unitaires cuboctaèdres à l'aide du processus LAPµSL. Les cellules unitaires ont été débarrassées de toute résine liquide prépolymère et injectées avec le fluide MR. La procédure de remplissage (ou de remplissage) a réussi lorsque la structure a été orientée de manière à empêcher les bulles de gaz piégées.
Jackson et al. testé les cellules unitaires cuboctaèdres dans un appareil personnalisé en faisant varier la distance de l'aimant à la structure des cellules unitaires pour contrôler la force du champ magnétique. Ils ont calculé la relation entre le module d'Young effectif et l'intensité du champ magnétique de la cellule unitaire grâce à des tests de compression. Le temps de réponse a été mesuré par la vitesse à laquelle les propriétés mécaniques ont changé dans le matériau en réponse à l'application ou à la suppression d'un champ magnétique. La réversibilité des résultats magnéto-mécaniques a également été testée avec une mesure en déformation contrôlée, où la cellule a effectué un cycle entre les états marche/arrêt du champ alors qu'elle était sous une contrainte de compression de 10 pour cent. Les particules magnétiques sont passées plus rapidement d'un état de désordre à l'ordre lorsque le champ magnétique a été appliqué.
Les scientifiques ont montré la possibilité de créer un FRMM de plus grande surface en imprimant un réseau cuboctaèdre avec un arrangement 2 par 2 par 2 de cellules unitaires. Pour produire les spécimens, les réseaux creux drainés ont été injectés de fluide MR comme précédemment, mais dans ce cas avec deux seringues attachées à chaque cellule unitaire. Encore une fois, la réponse de rigidité du réseau a été mesurée en fonction de l'intensité du champ magnétique.
Vidéo d'un réseau cuboctaèdre avec une masse de 10 g placé sur sa surface supérieure et la force du champ magnétique progressivement abaissée en retirant lentement un aimant. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau6419
Pour observer l'effet de réponse de champ du réseau de métamatériau mécanique, les scientifiques ont placé une charge statique de 10 g de masse, avec une condition initiale de 0,11 T maximum de champ magnétique appliqué. Lorsque le champ magnétique a été lentement supprimé, la rigidité effective a diminué, déformer le treillis sous la charge pour se comprimer et se plier. Après le retrait complet de l'aimant, la masse a glissé de la surface du treillis pour montrer la capacité de charge modifiée. Les FRMM peuvent modifier la rigidité dans une expérience à contrainte contrôlée, en ajustant uniquement le champ magnétique. Le travail a démontré les premiers FRMM accordables avec une gamme dynamique de réactions mécaniques rapides et réversibles en réponse à des champs magnétiques appliqués à distance.
Le processus de développement est agile et simple pour la réplication, basé sur l'impression 3D, combiné avec des méthodes de distribution de fluide contrôlées pour concevoir une nouvelle classe de métamatériaux mécaniques microarchitecturaux. Les futurs FRMM peuvent être composés de réseaux microfluidiques actifs pour réguler le flux de fluides IRM dans des micro-compartiments pour une accessibilité contrôlée dans le temps. La mise en forme magnétique peut augmenter le contrôle directionnel pour une variété d'applications. Les scientifiques envisagent l'utilisation des FRMM dans un large éventail d'applications émergentes, notamment la robotique douce, en tant que casques « résistants aux collisions » à adaptation rapide pour les cyclistes et en tant que dispositifs portables intelligents antibruit.
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