Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont développé une méthode qui démontre comment les matériaux composites polymères renforcés de fibres utilisés dans les industries de l'automobile, de l'aérospatiale et des énergies renouvelables peuvent être rendus plus solides et plus résistants pour mieux résister aux contraintes mécaniques ou structurelles au fil du temps. /P>

L'article détaillant cette recherche, intitulé "Enhancing Composite Toughness Through Hierarchical Formation", est publié dans Advanced Science. et figure sur la couverture intérieure de la revue.

Les composites ont déjà de nombreux avantages. Ils sont solides et légers par rapport à leurs homologues métalliques. Ils sont également résistants à la corrosion et à la fatigue et peuvent être adaptés pour répondre à des exigences de performances industrielles spécifiques. Cependant, ils sont vulnérables aux dommages dus à la contrainte, car deux matériaux différents – des fibres rigides et une matrice souple, ou une substance liante – sont combinés pour les fabriquer. L'interphase entre les deux matériaux doit être améliorée en raison de son influence sur les propriétés mécaniques globales des composites.

Sumit Gupta de l'ORNL a déclaré que l'équipe de recherche avait déposé des nanofibres thermoplastiques comme des toiles d'araignées pour créer chimiquement un réseau de soutien qui renforce l'interphase. Leur technique diffère des méthodes conventionnelles consistant à recouvrir les surfaces des fibres avec des polymères ou à fournir un échafaudage rigide pour améliorer la liaison entre la fibre et la matrice, qui se sont révélées inefficaces et coûteuses.

Gupta a déclaré que lui et l'équipe ont soigneusement sélectionné les nanofibres et le matériau de matrice pour créer un échafaudage ou un pont de grande surface comme voie de transfert de charge, un mécanisme par lequel la contrainte est transmise entre les fibres de renforcement et le matériau de matrice environnant.

"Notre procédé permet au matériau de résister à des contraintes plus importantes. En utilisant cette approche simple, évolutive et peu coûteuse, nous sommes en mesure d'augmenter la résistance des composites de près de 60 % et leur ténacité de 100 %", a-t-il déclaré. P>

Les composites fabriqués avec un tel progrès pourraient améliorer d'innombrables choses appliquées dans notre vie quotidienne, des véhicules aux avions.

"Une fois que nous avons connu la science fondamentale et la chimie derrière ce que nous avions développé, nous sommes devenus convaincus que nous disposions d'une technologie appliquée précieuse", a déclaré Christopher Bowland de l'ORNL. « La recherche d'une nouvelle technologie pionnière et la compréhension de la science fondamentale constituent un aspect de notre travail. Pourtant, une autre facette de la recherche appliquée consiste à explorer comment la technologie peut être traduite en applications concrètes au profit de la société. En collaboration avec l'équipe de transfert de technologie de l'ORNL, un un brevet a été déposé sur cette recherche afin de potentiellement traduire la technologie auprès de partenaires commerciaux."

Bowland a déclaré que les recherches futures portent sur différents systèmes de fibres et de matrices possédant des groupes chimiques compatibles, et que les chercheurs prévoient d'effectuer davantage d'études sur les nanofibres elles-mêmes pour augmenter leur résistance.

Cette étude fait partie du nouveau programme de base Composites 2.0 du programme de technologie des matériaux du Bureau des technologies des véhicules au sein de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, ou VTO-EERE. Le programme, dirigé par l'ORNL avec les laboratoires participants Pacific Northwest National Laboratory et National Renewable Energy Laboratory, s'efforce d'améliorer l'efficacité des véhicules grâce au développement de matériaux avancés.

"Une façon d'atteindre l'objectif du programme consiste à remplacer les composants en acier plus lourds par des composites en fibre de carbone, qui offrent actuellement le meilleur potentiel de réduction de poids", a déclaré Amit Naskar, responsable du groupe Carbone et Composites d'ORNL. "Le développement d'interphases plus solides et plus résistantes dans des composites renforcés de fibres hautes performances peut réduire la fraction volumique de fibres avec une réduction de masse améliorée et une rentabilité ultérieure des structures composites."

L’équipe de recherche a utilisé les ressources de l’installation utilisateur Compute and Data Science de l’ORNL pour des études informatiques afin de comprendre les forces de liaison fondamentales. L'équipe a également utilisé la microscopie à force atomique au Centre des sciences des matériaux nanophases, ou CNMS, pour caractériser la rigidité de l'interphase conçue. Le CNMS est un établissement utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL.

Plus d'informations : Sumit Gupta et al, Améliorer la résistance des composites grâce à la formation hiérarchique d'interphases, Science avancée (2023). DOI : 10.1002/advs.202305642

Informations sur le journal : Science avancée

Fourni par le Laboratoire national d'Oak Ridge