Les nouveaux métamatériaux de tenségrité des chercheurs de l'UCI et du Georgia Institute of Technology utilisent des éléments de boucle de compression isolés qui sont exclusivement connectés via un réseau continu d'éléments de traction (surlignés en magenta). Crédit :Jens Bauer et Cameron Crook / UCI
L'effondrement catastrophique des matériaux et des structures est la conséquence inévitable d'une réaction en chaîne de dommages localement confinés - des céramiques solides qui se cassent après le développement d'une petite fissure aux poutres métalliques spatiales qui cèdent après le gauchissement d'une seule entretoise.
Dans une étude publiée cette semaine dans Matériaux avancés , ingénieurs de l'Université de Californie, Irvine et le Georgia Institute of Technology décrivent la création d'une nouvelle classe de métamatériaux mécaniques qui délocalisent les déformations pour éviter les défaillances. Ils l'ont fait en se tournant vers la tenségrité, un principe de conception centenaire dans lequel des barres rigides isolées sont intégrées dans un maillage flexible d'attaches pour produire un poids très léger, structures en treillis auto-tendues.
À partir de 950 éléments de diamètre nanométrique, l'équipe a utilisé une technique sophistiquée d'écriture laser directe pour générer des cellules élémentaires d'une taille comprise entre 10 et 20 microns. Celles-ci étaient constituées de supercellules de huit unités qui pouvaient être assemblées avec d'autres pour former une structure continue. Les chercheurs ont ensuite mené des expériences de modélisation informatique et de laboratoire et ont observé que les constructions présentaient un comportement de déformation unique et homogène, sans surcharge ni sous-utilisation localisées.
L'équipe a montré que les nouveaux métamatériaux présentent une amélioration de la déformabilité de 25 fois et une augmentation de plusieurs ordres de grandeur de l'absorption d'énergie par rapport aux arrangements de réseau de pointe.
En comparaison avec deux autres structures nanométriques de pointe, le réseau de tenségrité créé par les chercheurs de l'UCI et de Georgia Tech (au centre) a montré une amélioration de 25 fois de la déformabilité et une augmentation de plusieurs ordres de grandeur de l'absorption d'énergie. Crédit :Jens Bauer et Cameron Crook / UCI
« Les structures de tenségrité sont étudiées depuis des décennies, notamment dans le cadre de la conception architecturale, et ils ont récemment été trouvés dans un certain nombre de systèmes biologiques, " a déclaré le co-auteur principal Lorenzo Valdevit, un professeur UCI de science et d'ingénierie des matériaux qui dirige le groupe Architected Materials. "Les réseaux de tenségrité périodiques appropriés ont été théoriquement conceptualisés il y a quelques années seulement par notre co-auteur Julian Rimoli à Georgia Tech, mais grâce à ce projet, nous avons réalisé la première mise en œuvre physique et démonstration des performances de ces métamatériaux. »
Tout en développant des configurations structurelles pour les atterrisseurs planétaires, l'équipe de Georgia Tech a découvert que les véhicules basés sur la tenségrité pouvaient résister à de graves déformations, ou flambage, de ses composants individuels sans s'effondrer, quelque chose qui n'a jamais été observé dans d'autres structures.
"Cela nous a donné l'idée de créer des métamatériaux qui exploitent le même principe, qui nous a conduit à la découverte du tout premier métamatériau de tenségrité 3D, " a expliqué Rimoli, professeur de génie aérospatial à Georgia Tech.
Rendu possible par de nouvelles techniques de fabrication additive, les structures conventionnelles extrêmement légères mais solides et rigides basées sur des fermes et des treillis à l'échelle micrométrique ont suscité un vif intérêt pour les ingénieurs pour leur potentiel à remplacer des structures plus lourdes, substances solides dans les avions, pales d'éoliennes et une foule d'autres applications. Bien que possédant de nombreuses qualités souhaitables, ces matériaux avancés peuvent, comme toute structure porteuse, être encore susceptibles de destruction catastrophique en cas de surcharge.
"Dans des matériaux nano-architecturés familiers, la rupture commence généralement par une déformation très localisée, " a déclaré le premier auteur Jens Bauer, un chercheur UCI en génie mécanique et aérospatial. « Bandes de cisaillement, fissures superficielles, et le flambement des murs et des entretoises dans une zone peut provoquer une réaction en chaîne conduisant à l'effondrement de toute une structure. »
Il a expliqué que les treillis des fermes commencent à s'effondrer lorsque les éléments compressifs se déforment, puisque ceux en tension ne le peuvent pas. Typiquement, ces parties sont interconnectées en des nœuds communs, ce qui signifie qu'une fois que l'on échoue, les dommages peuvent se propager rapidement dans toute la structure.
En revanche, les éléments compressifs des architectures de tenségrité forment des boucles fermées, isolés les uns des autres et uniquement reliés par des éléments de traction. Par conséquent, l'instabilité des éléments compressifs ne peut se propager que par des chemins de charge de traction, qui, pourvu qu'elles ne se rompent pas, ne peuvent pas connaître d'instabilité. Appuyez sur un système de tenségrité et toute la structure se comprime uniformément, prévenir les dommages localisés qui, autrement, provoqueraient une défaillance catastrophique.
Selon Valdevit, qui est également professeur de génie mécanique et aérospatial à l'UCI, les métamatériaux de tenségrité démontrent une combinaison sans précédent de résistance à la rupture, absorption d'énergie extrême, déformabilité et résistance, surpassant tous les autres types d'architectures légères de pointe.
"Cette étude fournit des bases importantes pour la conception de systèmes d'ingénierie supérieurs, des systèmes de protection contre les chocs réutilisables aux structures porteuses adaptatives, " il a dit.
