Comprendre comment les matériaux se déforment et échouent catastrophiquement lorsqu'ils sont impactés par un choc puissant est crucial dans un large éventail de domaines, y compris l'astrophysique, science des matériaux et génie aérospatial. Mais jusqu'à récemment, le rôle des vides, ou pores minuscules, dans un processus aussi rapide n'a pas pu être déterminé, nécessitant des mesures à prendre au millionième de milliardième de seconde.

Aujourd'hui, une équipe de recherche internationale a utilisé des rayons X ultra-brillants pour faire les premières observations de la façon dont ces vides évoluent et contribuent aux dommages du cuivre suite à l'impact d'un choc extrême. L'équipe, dont des scientifiques de l'Université de Miami, le Laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie et le Laboratoire national de l'Argonne, L'Imperial College de Londres et les universités d'Oxford et de York ont ​​publié leurs résultats dans Avancées scientifiques .

"Que ces matériaux soient dans un satellite touché par une micrométéorite, un vaisseau spatial entrant dans l'atmosphère à vitesse hypersonique ou un moteur à réaction qui explose, ils doivent absorber complètement toute cette énergie sans échouer catastrophiquement, " dit l'auteur principal James Coakley, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à l'Université de Miami. "Nous essayons de comprendre ce qui se passe dans un matériau lors de ce type de défaillance extrêmement rapide. Cette expérience est la première tentative de le faire, en regardant comment le matériau se comprime et se dilate pendant la déformation avant qu'il ne se brise finalement."

fromage suisse

Dans l'expérience, les chercheurs ont électrocuté un échantillon de cuivre avec des impulsions laser, puis ont diffusé les rayons X du laser à électrons libres de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC à travers le matériau pour suivre sa déformation. A partir des motifs des rayons X diffusés réalisés dans deux détecteurs, ils ont pu voir comment le choc comprimait puis élargissait le réseau atomique du matériau dans un détecteur tout en observant simultanément l'évolution des vides dans le second détecteur.

La compression initiale a fermé les vides préexistants dans le matériau, dit Coakley. Au fur et à mesure que le matériau s'étendait à nouveau, "Vous obtenez de plus en plus de ces petits vides qui se nucléent et se développent à mesure que les dommages se propagent à travers le matériau, comme une tranche de fromage suisse. À un certain point, ils commencent à se joindre jusqu'à ce que vous finissiez par vous retrouver avec de gros pores qui provoquent un échec ultime. "

Les chercheurs ont également découvert que la résistance du matériau, ou la capacité de résister aux dommages, dépendait de la vitesse à laquelle la contrainte externe était appliquée et relâchée.

"La luminosité des rayons X et les échelles de temps que nous avons pu observer ont été déterminantes pour la réussite de cette expérience, " déclare la directrice de la planification stratégique du SLAC, Despina Milathianaki, qui a conçu et supervisé l'expérience LCLS. "Cette combinaison de facteurs nous a permis de suivre exactement ce qui s'est passé au sein de l'échantillon lorsqu'il s'est séparé à des échelles de temps et de longueur qui auparavant ne pouvaient être que simulées, offrant un aperçu des défauts sous-jacents qui ont causé la défaillance matérielle."

Survivre au choc

Cette expérience visait à démontrer comment la technique peut être utilisée pour comprendre la déformation ultrarapide des matériaux. Les chercheurs prévoient de réaliser de futures expériences sur des matériaux plus avancés et dans des conditions expérimentales qui correspondent plus étroitement aux applications du monde réel.

"C'était passionnant de pouvoir visualiser et comprendre le cycle de vie complet d'un matériau, " dit Milathianaki. " C'est une excellente démonstration de ce qui peut être fait au LCLS pour comprendre la défaillance matérielle de manière plus large. L'objectif final est de comprendre pleinement comment les matériaux échouent afin que vous puissiez concevoir de nouveaux matériaux qui peuvent mieux résister à ces conditions intenses. »