Dans une découverte qui pourrait ouvrir la voie à de nouveaux matériaux et applications, les spécialistes des matériaux du Rensselaer Polytechnic Institute ont découvert que des charges oscillantes à certaines fréquences peuvent multiplier de plusieurs fois la résistance des composites dont l’interface est modifiée par une couche moléculaire de « nanoglue ».
Un nouvel article paru dans Nature Communications rapporte la découverte inattendue des effets de la fréquence de chargement sur l’énergie de rupture d’un composite multicouche impliquant un « nanoglue », dont l’utilisation a également été lancée chez Rensselaer.
« Déterrer, comprendre et manipuler les phénomènes à l’échelle nanométrique aux interfaces pendant les stimuli dynamiques est la clé de la conception de nouveaux matériaux avec de nouvelles réponses pour des applications « , a déclaré Ganpati Ramanath, titulaire de la chaire John Tod Horton en science et ingénierie des matériaux à Rensselaer et auteur principal de cette étude. « Notre travail démontre que l’introduction d’une couche de nanoglue à l’interface d’un composite stratifié peut entraîner un durcissement mécanique important à certaines fréquences de charge. »
Ganpati Ramanath et son équipe de collaborateurs ont découvert qu’à certaines fréquences de charge, l’énergie nécessaire à la rupture d’un composite polymère-métal-céramique modifié par un nanoglue a triplé et a dépassé l’énergie de rupture statique.
Ce comportement est inattendu et significatif car l’énergie de rupture est généralement plus faible en charge cyclique qu’en charge statique. Un tel durcissement dépendant de la fréquence n’a été observé que lorsqu’une couche de nanoglue a été utilisée pour lier le métal et la céramique.
Les résultats montrent également que, bien que la nanocouche soit nécessaire pour que le durcissement se produise, la gamme de fréquence et l’étendue du durcissement sont principalement déterminées par les propriétés mécaniques du polymère dans le composite.
Plus précisément, le nanoglue facilite le transfert de charge à travers l’interface métal-céramique et dissipe l’énergie dans le polymère par déformation plastique, entraînant une augmentation de l’énergie de fracture.
« Notre découverte ouvre un tout nouvel ensemble de possibilités pour concevoir des composites avec des réponses inédites en utilisant différentes combinaisons de polymères et de nanocouches interfaciales. Par exemple, nous pourrions réaliser une toute nouvelle classe de composites intelligents qui peuvent durcir considérablement, voire s’autodétruire, à certaines fréquences « , a déclaré Ganpati Ramanath.
« Nos découvertes sur les couplages bénéficiaires entre l’effet nanoglue et les propriétés d’un constituant d’un composite lors d’une charge cyclique ouvrent un nouveau paradigme en ingénierie de fiabilité « , a déclaré Michael Lane, co-auteur de la Chaire Billie Sue Hurst en chimie au Collège Emory & Henry. « Manipuler le couplage peut en fait rendre les composites plus robustes dans les conditions de charge que nous avons traditionnellement essayé d’éviter, et par conséquent, peut considérablement élargir la portée et améliorer les performances des composites dans les applications. »
