Un matériau stratifié stoppe les vibrations et le bruit
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Des chercheurs en matériaux ont créé un nouveau matériau composite qui combine deux propriétés incompatibles : il est rigide tout en étant très amortissant.
En bref
- Les vibrations endommagent les machines et les bâtiments, le bruit est gênant et malsain. C'est pourquoi il faut des matériaux amortissants qui soient en même temps rigides.
- Des chercheurs de l'ETH ont développé, sur la base de simulations, une nouvelle classe de matériaux composites qui combinent les deux propriétés.
- Ces matériaux sont composés de couches d'un matériau rigide et de couches de polymères superfines.
Un compresseur ronfle, un climatiseur claque, le châssis d'un wagon de chemin de fer cliquette et secoue les passagers : Les vibrations ne sont pas seulement agaçantes, elles peuvent aussi être nocives. A la longue, elles détruisent le matériel et les machines et réduisent leur durée de vie. De plus, le bruit généré par les vibrations nuit à la santé.
C'est pourquoi les ingénieurs utilisent des matériaux amortissants tels que des mousses, des caoutchoucs ou des éléments mécaniques tels que des ressorts ou des amortisseurs dans de nombreuses applications techniques, afin de supprimer les vibrations et le bruit. Cela rend toutefois les machines ou les appareils plus volumineux, plus lourds et plus chers. De plus, il n'est pas toujours possible de supprimer efficacement les vibrations avec des éléments d'amortissement ajoutés ultérieurement.
Il existe donc dans le monde entier une forte demande pour des matériaux qui soient rigides et porteurs, mais qui permettent également d'obtenir un amortissement élevé. Développer un tel matériau n'est pas chose aisée, car ces deux propriétés s'excluent mutuellement.
Des chercheurs en matériaux de l'ETH ont développé un matériau qui réunit ce que l'on croyait incompatible. Ioanna Tsimouri a réussi ce tour de force dans sa thèse de doctorat sous la direction d'Andrei Gusev et de Walter Caseri, tous deux professeurs au Département de science et ingénierie des matériaux. Elle a créé des matériaux composés de plusieurs couches d'un matériau rigide, reliées entre elles par des couches de polymères ultrafines semblables à du caoutchouc.
Pour ses premiers prototypes, Ioanna Tsimouri a utilisé des plaques de verre et de silicium de seulement 0,2 à 0,3 millimètre d'épaisseur. Les couches de polymère caoutchouteux entre les plaques ne mesurent même que quelques centaines de nanomètres. Des tests ont montré que ces nouveaux matériaux composites présentent effectivement les propriétés espérées.
Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour leur invention au début de l'été de cette année et l'ont maintenant publiée dans la revue scientifique page externeComposites Part B : Ingénierie publié.
Déduit théoriquement
En collaboration avec le physicien des matériaux Andreï Gusev, Ioanna Tsimouri a d'abord calculé, à l'aide de modèles informatiques, l'épaisseur des couches de polymères de liaison nécessaires pour que le matériau composite soit à la fois très rigide et fortement amortissant.
Ces calculs lui ont montré que les propriétés souhaitées des matériaux ne sont atteintes que si les épaisseurs des couches sont dans un certain rapport. Ainsi, les couches de polymère amortissantes doivent représenter moins d'un pour cent du volume total du matériau, tandis que les couches rigides de verre ou de silicium doivent représenter au moins 99 pour cent. "Si la couche de polymère est trop fine, il n'y a pratiquement pas d'effet d'amortissement. Si elle est trop épaisse, le matériau n'est pas assez rigide", explique Ioanna Tsimouri.
Mis en œuvre en laboratoire
L'étape suivante a consisté à vérifier expérimentalement les calculs avec Walter Caseri et à fabriquer plusieurs variantes du matériau composite en laboratoire.
Comme matériau pour les couches rigides de son prototype, la chercheuse a notamment utilisé du verre, comme celui utilisé pour les écrans de smartphones. Le polymère caoutchouteux est constitué d'un mélange de polymères disponibles dans le commerce à base de polydiméthylsiloxane (PDMS), qui contiennent des sites chimiquement réactifs. Après l'ajout d'un catalyseur, ces sites se combinent et forment un réseau de polymères qui relie les panneaux rigides comme un joint à deux composants.
Enfin, les chercheurs en matériaux, en collaboration avec Peter Hine de l'Université de Leeds, ont testé les matériaux en couches sur leurs propriétés mécaniques, qui dépendent de la fréquence et de la température. Un test de diffraction spécial a été utilisé. Ioanna Tsimouri a en outre testé ses produits à l'aide d'un test pratique simple mais significatif : elle a fait tomber les panneaux stratifiés d'une hauteur de 25 centimètres sur un plateau de table et a comparé l'atténuation acoustique et mécanique avec celle d'un panneau de même taille en verre pur.
Le stratifié a ainsi démontré ses excellentes propriétés d'amortissement, mais aussi sa stabilité. Le choc contre le plateau de la table était beaucoup plus silencieux. De plus, il ne rebondissait pas. En revanche, le verre pur produisait un bruit fort lorsqu'il heurtait le plateau de la table, rebondissait et se renversait. "Grâce à ce test, j'ai pu montrer que le stratifié amortissait parfaitement les vibrations et le bruit", explique Ioanna Tsimouri.
Test de chute avec du verre pur (première séquence) et avec le nouveau matériau stratifié (deuxième séquence) : Le verre pur fait du bruit et se fendille, mais pas le matériau en couches. (Vidéo : tirée de Ioanna Tsimouri I, et al. Composites Part B : Engineering, 2024))
Une couche de polymère ultramince comme obstacle
"Une grande difficulté a été de trouver un mélange de polymères PDMS qui donne un polymère caoutchouteux avec des propriétés d'amortissement améliorées dans une large gamme de températures. Il a également été difficile de créer une couche de polymère de l'épaisseur souhaitée", poursuit-elle. Comme les polymères réagissent très rapidement après l'ajout du catalyseur, elle a dû développer un procédé spécial pour appliquer les solutions sur les plaquettes de verre ou de silicium. Il lui a également fallu beaucoup de temps pour vérifier l'épaisseur des couches. Pour cela, elle a dû réaliser des coupes transversales du stratifié et les examiner au microscope électronique. "C'était très compliqué", se souvient-elle.
De larges applications possibles
Selon les chercheurs, le stratifié pourrait être utilisé dans de nombreuses applications, à commencer par le verre des fenêtres, les carters de machines ou les pièces automobiles. Il pourrait être utilisé de l'aérospatiale à la technologie des capteurs, où les matériaux sans vibrations sont très demandés. "Le marché mondial des matériaux amortissants est énorme", soulignent les chercheurs.
De plus, le matériau stratifié présente un autre avantage : le polymère liant et amortissant supporte une large gamme de températures sans que ses propriétés d'amortissement ne soient altérées. Ce n'est qu'en dessous d'une température de -125 degrés Celsius que le polymère devient vitreux et perd sa capacité d'amortissement.
Enfin, un tel stratifié serait également durable et permettrait de préserver les ressources. Si l'on utilise des matériaux avec un amortissement "intégré", on n'a pas besoin d'un matériau d'amortissement supplémentaire. De plus, le verre et le silicium peuvent être facilement recyclés. Lors de la fusion, de petites quantités de polymère se décomposeraient en verre et n'entraveraient pas le processus de recyclage.
Walter Caseri estime que cette technologie est facilement modulable. "Si un fabricant dispose des machines adéquates, il peut aussi fabriquer le stratifié en panneaux de plusieurs mètres carrés".