Les avions sont des mastodontes du ciel; un avion de ligne commercial a plus de 6 ans, 000 fois plus lourd qu'une grosse oie canadienne. À 500 mph, cependant, ces mastodontes ne sont pas insensibles aux impacts, même de l'oie apparemment inoffensive. De tels dommages peuvent entraîner une série de problèmes, des fluctuations de la pression atmosphérique et de l'altitude.

Les chercheurs de l'USC ont développé un nouveau matériau qui pourrait réparer de tels dommages d'impact dans l'air, dès qu'il se produit. L'équipe, dirigé par Qiming Wang, Stephen Schrank Early Career Chair et professeur adjoint au département de génie civil et environnemental de Sonny Astani, créé des structures en treillis 3D - des structures qui comportent des cellules répétitives - qui se remettront de manière autonome des dommages causés par l'impact, restaurer d'abord la forme d'origine de la structure, puis cicatriser les fractures fatales ou les cassures du matériau.

"Traditionnellement, structures en treillis, tout en étant léger, ont une faible tolérance aux dommages, c'est-à-dire s'il y a un impact, il se répandra facilement, compromettant finalement la structure. Le matériau que nous avons créé a une tolérance élevée aux dommages, " a dit Wang.

Le nouveau matériau se caractérise par une résistance et une rigidité élevées. Contrairement aux matériaux auto-cicatrisants traditionnels, Wang a dit, en cas de fracture, aucune intervention manuelle n'est requise. "Vous n'avez pas à repousser les pièces fracturées pour permettre la cicatrisation du matériau, " a déclaré Wang. " La mémorisation de la forme caractéristique de notre nouveau matériau signifie que les pièces fracturées s'aligneront de manière autonome sur la forme d'origine, avant de commencer la guérison des liens individuels.

L'équipe de chercheurs comprend :USC Viterbi Ph.D. étudiants Kunhao Yu, Haixu Du, Un Xin, Kyung Hoon Lee, et Zhangzhengrong Feng; professeur au département de génie civil et environnemental de Sonny Astani Sami F. Masri; professeur au département d'ingénierie industrielle et des systèmes Daniel J Epstein Yong Chen; et le professeur Guoliang Huang du département de génie mécanique et aérospatial de l'Université du Missouri. Leurs travaux ont été publiés dans NPG Asie Matériaux .

Auto-guérison, Forme mémorisable et photodurcissable

Les structures en treillis 3-D ne sont pas faciles à fabriquer. Wang a déclaré:"La méthode existante - l'assemblage de stratifiés couche par couche - prend du temps." Cependant, Wang a dit, pouvoir utiliser l'impression 3D, vous êtes limité à des matériaux spécifiques. Ces matériaux n'ont pas les propriétés nécessaires à l'auto-guérison autonome.

Pour créer un nouveau matériau ayant toutes les caractéristiques souhaitées, les chercheurs se sont appuyés sur une innovation antérieure :un matériau auto-cicatrisant plus caoutchouteux comportant des liaisons dynamiques (liaisons disulfure) qui déclenchent l'auto-guérison. Quand ces liens se brisent, l'application de chaleur les rapproche pour reformer les liens d'origine. Bien qu'auto-guérison, le matériau caoutchouteux était trop mou pour supporter beaucoup de poids.

Afin d'incorporer les propriétés nécessaires pour atteindre leurs objectifs, les chercheurs ont ajouté des domaines cristallins, des polymères à haute rigidité et réactivité à la chaleur. "Le matériau est solide comme le téflon. Dans nos études, nous avons trouvé que le matériel pouvait supporter 1, 000 fois son propre poids, " a dit Wang.

Lorsque les chercheurs ont incorporé les domaines cristallins, ils ont également ajouté une autre propriété clé :la mémoire de forme, ce qui signifie que les polymères mémorisent la forme originale de la structure.

Pour atteindre tous leurs objectifs, les chercheurs ont également ajouté le groupe chimique acrylate (souvent utilisé dans les adhésifs), qui a rendu le matériau photodurcissable, ou réactif lorsque le matériau est exposé à la lumière. Cette propriété était essentielle à l'utilisation d'une technique d'impression 3D appelée stéréolithographie, par laquelle la lumière provoque la solidification du matériau liquide couche par couche pour former des structures en treillis solides.

Lorsque des dommages causés par un impact se produisent, un matériau présente généralement deux formes de déformation :une bosselure ou un changement de forme et des fractures structurelles (liaisons rompues). Traditionnellement, avec des matériaux auto-réparables existants, Wang a dit que les fractures pouvaient être guéries, mais pas avant qu'un réalignement manuel des pièces fracturées ne se produise, poussant essentiellement l'objet à retrouver sa forme d'origine. Avec le nouveau matériel, la récupération de forme et la réparation de fracture se produisent toutes deux de manière autonome, avec application de chaleur.

Le processus commence par l'impact. Une fois qu'une structure est endommagée, la chaleur à distance - appliquée à 80 degrés Celsius (environ 176 degrés Fahrenheit) dans l'étude - est appliquée pour commencer le processus de restauration de la forme. Dans ce cas, les chercheurs ont créé une aile latérale et y ont écrasé un poids. Une fois endommagé, la chaleur a été appliquée. La forme originale de l'aile a été restaurée en deux minutes. Sous chaleur continue, les morceaux fracturés commencent à reformer des liens et à cicatriser. Au bout de six heures, le matériau a retrouvé sa résistance et sa structure d'origine.

Dans cette étude, les chercheurs ont terminé dix cycles de dommages et de guérison avec la même structure. Même après le dixième cycle, la structure a conservé le même niveau d'intégrité mécanique qu'à l'origine.

Avions, Trains et automobiles

Ces nouvelles structures en treillis pourraient être utilisées pour renforcer un nombre quelconque de véhicules, de l'avion à l'automobile. "Quand il y a un accident, réparer les bosses et les fissures sur une carrosserie de voiture est toujours très gênant, " a dit Wang. " Mais si la carrosserie de la voiture était faite de nos nouvelles structures en treillis, cette réparation pourrait s'effectuer de manière autonome, redonner au corps sa forme et sa fonction d'origine, sans surcoût ni délais de réparation excessifs."

Pratiquement, Wang voit ce matériau fonctionner avec des capteurs. Si le capteur détecte des dommages causés par l'impact, un chauffage se déclenchera, commencer le processus de guérison. D'autres applications incluent les véhicules de défense, tels que les réservoirs, ou gilets/armures pare-balles. Wang a déclaré que ce matériau pourrait offrir des périodes d'utilisation plus longues et une meilleure tolérance aux dommages pour les pièces clés.

Une autre application est le résultat direct de la mémoire de forme et des caractéristiques de guérison elles-mêmes. Wang a dit que si vous coupez ou modifiez une structure pour la transformer en une autre, par exemple d'un triangle à une forme de kagome (en étoile), vous pouvez régler le matériau pour présenter différentes qualités, par exemple, amortissement versus transmission de certaines fréquences de vibration. Une fois cette utilisation terminée, l'application de chaleur ramènera la structure à sa forme originale.