Les métamatériaux à base de titane déverrouille la force au-delà de la nature.

Un métamatériau révolutionnaire en titane avec une résistance et une polyvalence inégalées pourrait révolutionner la fabrication et l'aviation à grande vitesse.

Un matériau de titane léger et haute résistance a été conçu, ce qui pourrait conduire à des dispositifs médicaux plus forts et à des conceptions innovantes de véhicules et de vaisseaux spatiaux. L'équipe de recherche a utilisé un alliage de titane commun, ti -6 al -4 v, pour construire le "métamatériau", un terme utilisé pour décrire un matériau artificiel qui possède des propriétés uniques non observées dans la nature - Meta signifie " au-delà "en grec.

Beaucoup de structures complexes et étonnamment fortes existent dans la nature, comme celle du VICTORIA Water Lily. Originaire d'Amérique du Sud, cette gigantesque feuille flottante est suffisamment forte pour soutenir un adulte en raison de la structure de réseau unique de ses veines.

Les structures des matériaux artificiels peuvent être conçues pour imiter ces plantes et autres matériaux poreux naturels comme le corail, avec différents réseaux qui vont des simples cubes aux dodécades complexes. Les pores de ces structures de réseau interconnectent, formant des canaux. Connues sous le nom de matériaux «cellulaires», ces matériaux de réseau sont souvent livrés avec un compromis de résistance s'il n'est pas conçu correctement, selon les chercheurs du RMIT.

"Cependant, l'impression en métal 3D change la donne, permettant aux chercheurs de concevoir et de fabriquer des métaux cellulaires très innovants et forts", a déclaré Jordan Noronha, un doctorat. candidat qui a travaillé sur le projet de RMIT.

Dans les matériaux cellulaires, les réseaux sont connectés en trois dimensions par des tiges ou des poutres solides minces appelées entretoises. En utilisant à la place des entretoises creuses, les chercheurs visaient à fabriquer un matériau cellulaire à basse densité aussi fort qu'un alliage métallique solide avec une densité similaire aux alliages de magnésium à haute résistance.

Imprimer le métamatériau

L'équipe de recherche dirigée par Ma Qian, professeur au RMIT's Center for Additive Manufacturing, a utilisé un processus d'impression 3D appelé "Fusion de lit de poudre laser" pour fabriquer les métamatériaux en titane. Cette technique, qui construit une couche de matériau par couche à l'aide d'un faisceau laser à grande puissance, est couramment utilisée pour préparer des pièces de fabrication complexes de moins d'un millimètre à près de deux mètres.

Qian a expliqué l'approche de son équipe. "Tout d'abord, l'ensemble de l'échantillon de métamatériau en réseau est conçu comme un modèle numérique. Ensuite, ce modèle est tranché numérique en plusieurs couches minces à l'aide d'un outil logiciel."

"Ce processus de fabrication basé sur des couches implique la fusion au laser des poudres métalliques, la solidification rapide du métal liquide (les poudres métalliques fondues) et les processus de chauffage et de refroidissement répétés du métal solidifié", a-t-il expliqué.

Qian dit que l'ensemble du processus dure actuellement environ 18 heures, mais grâce à l'optimisation, lui et son équipe prévoient de raccourcir le délai à l'avenir.

Qu'est-ce qui rend le matériel si fort?

Les entretoises creuses et les plaques minces sont les deux topologies responsables de la haute résistance du métamatériau. Contrairement à la plupart des matériaux cellulaires, qui contiennent des points faibles où le stress se concentre, ces deux réseaux complémentaires distribuent uniformément le stress tout en fournissant un soutien.

"Idéalement, le stress dans tous les matériaux cellulaires doit être répandu uniformément", a expliqué Qian. "Cependant, pour la plupart des topologies, il est courant que moins de la moitié du matériau porte principalement la charge de compression, tandis que le plus grand volume de matériau est structurellement insignifiant."

"Cette conception multipopologie favorise également la déviation des chemins de crack pour améliorer la ténacité", a-t-il ajouté. "Au lieu des fissures se produisant directement à travers le réseau, qui se produisent dans la plupart des matériaux cellulaires, dans notre topologie de réseau creux à plaque mince, les entretoises et les plaques fonctionnent ensemble pour détourner les fissures le long d'un chemin plus long."

Les alliages de magnésium sont actuellement utilisés dans des applications commerciales qui nécessitent une résistance élevée et légère. Par rapport à l'alliage de magnésium coulé le plus fort disponible (WE54), un échantillon de métamatériau en titane avec une densité comparable est beaucoup plus fort. Les alliages de magnésium ne sont pas non plus susceptibles de fusion du lit de poudre laser ou d'impression 3D en raison de la vaporisation de la poudre, donnant à l'alliage de titane un avantage de fabrication.

Étapes suivantes et applications potentielles

Avant la commercialisation du matériel, Qian et son équipe veulent d'abord s'assurer que le matériel fonctionne à son efficacité maximale.

Pour ce faire, ils prévoient d'améliorer leur conception actuelle pour renforcer et alléger encore plus leurs métamatériaux en titane. Par exemple, sur la base de simulations numériques, ils ajusteront la proportion de plaques minces à des entretoises creuses pour permettre une distribution de contraintes plus uniforme dans toute la structure.

Selon les chercheurs, si le métamatériau est fabriqué à partir d'un alliage de titane à haute température, il peut être utilisé à des températures allant jusqu'à 600 degrés. Cette caractéristique, ainsi que sa résistance à la corrosion, rend le matériau adapté à une utilisation dans des avions ou des missiles volants à grande vitesse, qui doivent être capables de résister à la chaleur intense générée par leurs vitesses élevées. Les drones en titane utilisés pour surveiller ou combattre de près les incendies de forêt bénéficieraient également du poids léger, de la résistance et de la résistance à la chaleur du métamatériau.

Parce que le métamatériau est également biocompatible, il pourrait également être utilisé dans des dispositifs médicaux tels que les implants osseux. Cependant, la technologie n'est pas encore largement disponible à ce stade, donc son adoption par l'industrie pourrait prendre un certain temps. "Notre limitation la plus importante est l'exclusivité de notre technologie, et le coût de la fabrication pourrait être une autre préoccupation importante", a déclaré Qian.

"Les processus de fabrication traditionnels ne sont pas pratiques pour la fabrication de ces métamatériaux métalliques complexes, et tout le monde n'a pas une machine à fusion de lit de poudre laser dans leur entrepôt", a-t-il ajouté. "Cependant, à mesure que la technologie se développe, elle deviendra plus accessible, permettant à un public plus large de mettre en œuvre nos métamatériaux multipologiques à haute résistance dans ses composants."