De l’aérospatiale aux applications domestiques, les jauges auxétiques avancées prêtes à une utilisation généralisée

Les matériaux auxétiques diffèrent des matériaux classiques en ce qu’ils présentent des coefficients de Poisson négatifs. En d’autres termes, sous la force de traction appliquée dans la direction longitudinale, les auxétiques s’étendent dans la direction transversale perpendiculaire. 

Les scientifiques continuent de rechercher des propriétés auxétiques dans les matériaux. Récemment, Noah Stocek, doctorant collaborant avec le physicien de Western Giovanni Fanchini, a développé un tel nanomatériau. 

Feuilles nanométriques auxétiques bidimensionnelles

Les deux scientifiques ont travaillé à Interface Science Western pour développer des nanosheets 2-D de semi‑carbure de tungstène, également connu sous le nom de W2C. Il s’agit de composés chimiques contenant des quantités égales d’atomes de tungstène et de carbone. Conformément aux propriétés des matériaux auxétiques, ces nanomatériaux s’étendent perpendiculairement à la force appliquée lorsqu’ils sont étirés dans une direction. 

Le développement est important car il s’agit seulement du deuxième matériau à s’étendre de façon substantielle de manière opposée aux matériaux classiques. Auparavant, un seul matériau avait été signalé comme pouvant s’étendre de 10 % par unité de longueur de façon contre‑intuitive. Le nanomatériau actuel, le nanosheet de semi‑carbure de tungstène, peut s’étendre de 40 %. C’est un nouveau record mondial. En expliquant la réussite de ce développement, Stoeck a déclaré: 

« En 2018, les théoriciens ont prédit qu’il pourrait présenter ce comportement à un niveau excellent, mais personne n’avait pu le développer, malgré de nombreuses tentatives de groupes de recherche du monde entier. »

Pour expliquer plus en détail ce que Stoeck et Fanchini ont développé, ils ont rapporté scientifiquement et expérimentalement un système de dépôt plasma à distance à double zone, conçu ad hoc, capable de faire croître des carbures de tungstène hors de l’équilibre thermodynamique avec des rapports bien réglés de précurseurs de W et de C. La recherche a mis en évidence les conditions spécifiques sous lesquelles ce système a permis la synthèse de flocons de semi‑carbure de tungstène à quelques couches (FL‑W2C). Ces flocons étaient de nature bidimensionnelle, car ils pouvaient conserver leur périodicité à l’échelle mésoscopique dans un processus de croissance de Stranski–Krastanov.

Un nouveau virage des moyens chimiques à la physique des plasmas

Le duo de développeurs avait identifié très tôt dans leur processus qu’il était impossible de construire un nouveau nanomatériau de semi‑carbure de tungstène par des moyens chimiques. En conséquence, ils sont passés à la physique des plasmas, dans le but de former des couches d’atomes uniques. 

Pour réaliser le développement du nanomatériau en exploitant les méthodes plasma, le duo s’est éloigné de la voie conventionnelle consistant à disposer de fours spéciaux où les gaz pouvaient être chauffés à haute température pour réagir chimiquement et former la substance. Ils ont conçu un nouveau système d’instrumentation personnalisé pour produire du plasma, contenant des particules chargées électriquement. 

Applications du nanomatériau récemment développé

L’une des applications potentielles les plus utiles de ces nanosheets pourrait être un type radicalement nouveau de jauge de contrainte. Ces jauges pourraient mesurer l’expansion de manière très efficace et s’étirer dans tout, des ailes d’avions aux tuyauteries domestiques.

Comme ces matériaux sont plus conducteurs électriquement, ils peuvent être utilisés dans des capteurs ou des dispositifs pour détecter les changements et les variations de l’environnement. Non seulement ils peuvent détecter ces changements, mais grâce à leurs capacités de « capteur », ils peuvent également transmettre des informations à d’autres appareils électroniques. 

En détaillant l’une des applications possibles, Stoeck a déclaré:

« Imaginez que vous vouliez savoir si un tuyau de votre maison se déforme et risque d’éclater à un moment donné. Vous pouvez coller un capteur sur le tuyau fabriqué à partir de ce nanomatériau bidimensionnel, puis utiliser un ordinateur pour surveiller le courant qui le traverse. Si le courant augmente, cela signifie que le tuyau s’étend et risque d’éclater. »

À l’avenir, davantage de développements sur les propriétés auxétiques d’un matériau conduiront certainement à de nouvelles solutions. Pour l’instant, des entreprises comme Michigan Scientific Corporation et Omega sont profondément impliquées dans la fabrication et le développement de jauges de contrainte. Ces entreprises pourraient commencer à exploiter ce développement et le nanomatériau produit comme résultat pour enrichir leur portefeuille de produits/solutions. 

#1. Omega

Omega, une marque DwyerOmega, peut exploiter le nanomatériau pour renforcer davantage sa gamme robuste et diversifiée de jauges de contrainte. Ses jauges à diaphragme peuvent mesurer la contrainte et le stress dans une variété d’applications, y compris la pression, la force, le déplacement et la contrainte dans les métaux, les plastiques et les composites. La gamme de jauges de contrainte parallèles doubles aide à mesurer de façon fiable le stress de flexion dans de nombreuses applications. 

Omega propose également des jauges de torsion et de cisaillement, des jauges de contrainte linéaires, des jauges de contrainte en T‑rosette et des jauges de rosette. Avec des tolérances serrées pour un alignement plus facile, les jauges d’Omega offrent des performances fiables et une stabilité à long terme. Ses jauges de pont complet et de demi‑pont démontrent une excellente linéarité ainsi qu’une compatibilité avec une large plage de températures. 

Ses jauges de T‑Rosette peuvent mesurer les effets de la température, de la charge et des vibrations sur les composants. Elles sont particulièrement utiles pour mesurer les contraintes biaxiales avec des directions principales connues.

L’entreprise est parfaitement placée pour développer une nouvelle gamme de produits basée sur des jauges auxétiques ou pour élargir sa gamme existante avec des propriétés auxétiques. 

DwyerOmega est née d’une marque après Dwyer Instruments, Inc. a accepté d’acquérir OMEGA Engineering, Inc. de Spectris plc (LSE:SXS) pour environ 530 millions de dollars le 19 avril 2022. Dwyer a payé 525 millions de dollars à une valorisation d’environ 20,4 fois l’EBITDA ajusté 2021 d’Omega. Pour l’exercice 2021, Omega a généré un chiffre d’affaires de 129 millions de livres (£) (168 millions de dollars) et un EBITDA ajusté de 19,7 millions de livres (£) (25,7 millions de dollars).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, une société privée basée à Charlevoix, Michigan, États‑Unis, est connue pour offrir une gamme de services d’ingénierie, de produits et de solutions. Un domaine où cette entreprise pourrait brillamment exploiter ce développement est ses services de jauges de contrainte. 

L’entreprise est spécialisée dans la conception et la création de transducteurs de jauges de contrainte sur mesure, qui pourraient être utilisés dans divers cas, notamment la mesure des forces de suspension de véhicules, des couples d’entraînement, des forces des composants de direction, des charges de moteurs et de moteurs, et des couples de freinage sur les véhicules sur le terrain. 

Les solutions de Michigan comprennent des transducteurs de couple d’arbre, des transducteurs de vilebrequin, des transducteurs de goupille de cisaillement et des produits pour la jauge de contrainte d’arbre demi‑arbre, de l’arbre de transmission, de la contrainte axiale, et plus encore. 

Les applications d’instrumentation de ces solutions incluent l’instrumentation de cartes de circuits pour le suivi du stress, les panneaux de portes de chambres thermiques surveillés pour la déformation pendant la fabrication, et des arbres de transmission industriels entièrement instrumentés.Ces solutions collectent et analysent également les données obtenues à partir des projets dans lesquels elles sont déployées. 

Nous avons déjà constaté que les capacités « capteur » des jauges de contrainte nouvellement développées augmentent leur valeur. Cela représenterait également une valeur ajoutée pour Morgan Scientific Corporation, qui installe des jauges de contrainte sur site chez les clients afin d’instrumenter les composants du client et d’enregistrer des données pour soutenir une gamme d’activités de test et de développement. 

Autres avancées récentes significatives dans les auxétiques

Auxétiques dans la construction civile

Selon des rapports publiés dans l’International Journal of Protective Structures, les matériaux auxétiques trouvent une utilisation croissante dans les domaines liés au génie civil. Ils pourraient être combinés avec des matériaux cimentaires sous diverses formes, y compris le composite mousse‑mortier, le composite tissu‑mortier et le composite cimentaire renforcé de fibres. 

Les couches de mousse auxétique, par exemple, s’avèrent utiles pour la réhabilitation de murs en maçonnerie fragile sous compression. Elles augmentent de façon significative l’effet de durcissement de la contrainte post‑limite dans le composite cimentaire.

Les tissus auxétiques offrent une rigidité au cisaillement plus élevée et une ténacité à la fracture notable. En conséquence, ces composites sont utiles pour surmonter les défis posés par la faible résistance à la compression du mortier mousse auxétique (AFM), qui possède une structure poreuse et une faible densité.

Le composite cimentaire renforcé de fibres auxétiques résout de nombreux inconvénients des matériaux cimentaires conventionnels, notamment la faible ductilité, la résistance à la traction insuffisante, et la faible ténacité à la fracture.

Auxétiques dans les fibres

Les fibres auxétiques peuvent être utilisées dans une gamme d’applications, y compris les matériaux composites, les vêtements de protection personnelle, le rembourrage, les cordes, les fils, les filets de pêche et bien plus encore. Les propriétés que les fibres auxétiques confèrent à ces domaines d’application comprennent la résistance à l’arrachement des fibres, la ténacité à la fracture des fibres, l’absorption d’énergie, la densification et la résistance à l’indentation, la résistance aux impacts, et plus encore.

Auxétiques en biomédical 

Les auxétiques peuvent contribuer de manière significative aux sous‑segments biomédicaux des prothèses, des implants chirurgicaux, des ancres de suture/muscle/ligament, et même des dilatateurs qui aident à ouvrir les vaisseaux sanguins lors d’une chirurgie cardiaque. 

Auxétiques pour améliorer la qualité des piézoélectriques

Des électrodes peuvent être construites à partir de métaux auxétiques. Ces électrodes pourraient fonctionner en sandwichant un polymère piézoélectrique ou en intégrant des tiges céramiques piézoélectriques dans une matrice polymère auxétique. Elles offrent une capacité d’amélioration significative des performances piézoélectriques et peuvent augmenter la sensibilité du dispositif d’au moins un facteur de deux et jusqu’à un facteur de cent.

Utilisation des auxétiques dans les filtres

Le nettoyage des filtres encrassés est réalisable en utilisant des filtres en mousse auxétique et en nid d’abeille. Plus précisément, les inclusions auxétiques aident à ajuster la taille et la forme des pores du filtre de manière efficace. Elles compensent également les effets de l’accumulation de pression dans un filtre encrassé. Un filtre auxétique peut ouvrir les pores dans les deux directions — le long et le transversal à la direction de la charge de traction.

Conception de matériaux auxétiques à la demande

Comme les segments ci‑dessus le démontrent, l’utilisation des auxétiques avancés s’étend rapidement et se diffuse quotidiennement vers de nouveaux domaines d’application. Pour répondre à cette demande, des chercheurs ont déjà mené des études précieuses sur la conception de matériaux auxétiques à la demande.

En 2022, une recherche intitulée ‘Une recette en trois étapes pour concevoir des matériaux auxétiques à la demande‘ a été publiée où les chercheurs ont établi un cadre unifié pour décrire les auxétiques parfaits bidimensionnels avec une utilisation potentielle dans la conception de nouveaux matériaux. 

La recherche s’est fortement appuyée sur le lien naturel entre les unités rigides rotatives et les systèmes de spin antiferromagnétiques. Les chercheurs ont également détaillé les conditions qui favorisent l’émergence d’un mode mou non trivial qui provoque le comportement auxétique. 

La recherche a indiqué trois conceptions pour de nouveaux auxétiques : un cristal exotique, un quasicristal de Penrose et un auxétique isotrope tant désiré. Les chercheurs ont affirmé que l’auxéticité de ces conceptions pourrait rester robuste face à de petites perturbations structurelles, validées par des expériences et des simulations numériques. 

La théorie de la recherche a représenté chaque conception par un modèle minimal. Ces modèles étaient basés sur des polygones et des ressorts capables de capturer la réponse collective essentielle de ces modèles aux charges externes. 

Les chercheurs espéraient que ces modèles puissent être simulés directement afin de tester les propriétés des matériaux tout en ignorant les forces de flexion. Un autre résultat important des travaux de recherche était sa capacité à généraliser le comportement des parois de domaine auxétique et des textures naturelles que ces systèmes possèdent en raison de leur analogie avec les systèmes magnétiques.

Enfin, les participants à la recherche ont affirmé que leurs travaux étaient révolutionnaires en ce sens qu’ils pouvaient établir les règles de base pour créer des auxétiques isotropes parfaits jamais vus auparavant. Ils espéraient également que la recherche pourrait trouver une application dans la production de matériaux polyédriques 3D.

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La route à suivre pour les auxétiques avancés

Il est maintenant prouvé au-delà de tout doute que les structures auxétiques sont passées de la phase d’un seul design à des solutions personnalisées pouvant servir à une gamme de fonctions. Leur évolution a vu des motifs élémentaires 2D variés, des structures hybrides et des améliorations dimensionnelles innovantes orientées performance. L’évolution a également constaté une expansion de la liste des matériaux pouvant intégrer des caractéristiques auxétiques. La liste des matériaux compatibles comprend désormais les polymères, les céramiques, les métaux, les biomatériaux, le ciment, les textiles et les composés cimentaires.

Les modèles structurels diversifiés et les modèles de fabrication généralisés – tous deux ont connu des améliorations, entraînant le comportement auxétique de matériaux à haute rigidité. Les chercheurs et les technologues examinent également les propriétés de redistribution du stress des matériaux auxétiques. 

Cependant, pour que les auxétiques deviennent plus avancés, certains défis doivent être surmontés. Par exemple, les performances sous impact à haute vélocité et les mécanismes de déformation et de rupture nécessitent davantage d’examen. Un travail supplémentaire est requis sur la mise en œuvre de la résistance aux impacts. Une attention adéquate à ces aspects pourrait faire des auxétiques une caractéristique scientifique et technologique d’une valeur immense dans la vie quotidienne.

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