Les scientifiques des matériaux de l'ETH-Zürich travaillent sur des matériaux composites qui imitent la structure des coquillages. Ces structures complexes sont produites à l'aide de minuscules particules magnétiques qui guident les éléments plus rigides des composites en place. Cette technique permet de nouvelles technologies allant des revêtements durables aux matériaux plus résistants et plus légers.

Les matériaux composites sont très répandus dans notre société. Ils sont utilisés dans une large gamme de structures, des ailes d'avion et des bateaux en fibre de verre aux pales d'éoliennes et aux restaurations dentaires. Parce que les composites combinent différentes classes de matériaux tels que les plastiques, métaux, et céramiques, il est possible de les concevoir pour être à la fois rigides et résistants, léger et souple. Une telle combinaison de propriétés ne peut pas être obtenue en utilisant une seule classe de matériau; les plastiques ne sont pas rigides, les métaux ne sont pas légers, et les céramiques ne sont pas flexibles.

La conception et la fabrication de composites qui permettent d'obtenir ces combinaisons de propriétés nécessitent l'orientation et le placement appropriés de fibres céramiques ou polymères solides et rigides dans un matériau polymère plus doux et plus léger tel qu'une colle époxy. Sans orientation appropriée, les éléments plus rigides sont inefficaces dans leur rôle de renforcement du matériau plus mou.

Rigidité et résistance élevées

La capacité de contrôler cette orientation a longtemps échappé aux fabricants de composites. Les matériaux composites actuels contiennent des fibres rigides souvent disposées comme un morceau de tissu, qui est plus tard infiltré avec un doux, résine polymère légère. Cela fournit une rigidité et une résistance élevées dans le plan du tissu qui peuvent être facilement observées en tirant sur les extrémités d'une seule couche de tissu. Les techniques de fabrication actuelles empilent de nombreuses couches minces pour créer des structures plus grandes.

Cependant, cela conduit généralement à des composites avec une faible résistance aux chocs et une sensibilité élevée au délaminage entre les couches empilées. De façon intéressante, les matériaux composites produits par des organismes vivants présentent des solutions élégantes à ces problèmes en construisant des composites biologiques à l'aide d'éléments de renforcement aux architectures 3D uniques, comme en témoigne la structure en coquillage. Des stratégies de renforcement 3D similaires se retrouvent également dans les dents, tiges osseuses et végétales.

Contrôle précis des éléments de renforcement

Dans le numéro du 13 janvier de la revue Science , des chercheurs de l'ETH-Zurich ont dévoilé une nouvelle technique qui permet un contrôle précis de ces éléments de renforcement plus rigides dans un composite synthétique. Leur technique utilise des forces magnétiques, s'appuyant sur un phénomène similaire à celui d'un barreau aimanté orientant les garnitures en fer. Le principal défi était le fait que les matériaux d'intérêt pour les composites sont non magnétiques et, Donc, ne réagissent pas eux-mêmes aux forces magnétiques.

L'équipe de l'ETH a découvert qu'elle pouvait permettre une réponse magnétique dans ces matériaux en fixant une quantité étonnamment faible de nanoparticules magnétiques (1/1000ème du diamètre d'un cheveu humain) à la surface des éléments rigides. Cette méthode ne fonctionne que pour les éléments rigides d'une taille définie dans la gamme micrométrique, qui se chevauchent avec les tailles d'intérêt clé dans l'industrie des composites. L'utilisation d'éléments plus rigides à cette échelle permet de contrôler l'orientation en utilisant des champs magnétiques qui ne sont que 20 fois ceux de la Terre. En comparaison, les bandes de carte de crédit émettent des champs magnétiques approchant 2, 000 fois celui du champ terrestre.

Mettre la technique au service de l'industrie

L'équipe de recherche a démontré que cette technique peut être utilisée pour produire une famille entière de nouvelles structures composites impossibles auparavant (Figure 2). Ces nouvelles structures présentent des propriétés matérielles programmables dans n'importe quelle direction souhaitée, une caractéristique qui n'a pas été démontrée avec les techniques précédentes. Parce que la nouvelle méthode repose sur des champs magnétiques aussi faibles et de petits revêtements, l'applicabilité dans les processus de fabrication existants est claire.

The ETH team is currently working with commercial companies to put this technique into industrial use. The industrialization of this approach offers a pathway to lighter, cheaper, and stronger composite materials for the automotive and aerospace industries and for the development of materials to promote renewable energy harvesting such as with lighter, stronger wind turbine blades.

The ETH team plans to continue this work by adapting these techniques to a variety of new systems and new materials.