Les ingénieurs développent un nouveau type de forme

Sep 27, 2023

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Les métaux à mémoire de forme, qui peuvent revenir d'une forme à une autre simplement en étant réchauffés ou autrement déclenchés, ont été utiles dans une variété d'applications, en tant qu'actionneurs capables de contrôler le mouvement de divers dispositifs. Désormais, la découverte d'une nouvelle catégorie de matériaux à mémoire de forme en céramique plutôt qu'en métal pourrait ouvrir une nouvelle gamme d'applications, notamment pour les réglages à haute température, tels que les actionneurs à l'intérieur d'un moteur à réaction ou d'un forage profond.

Les nouvelles découvertes ont été rapportées aujourd'hui dans la revue Nature, dans un article de l'ancien doctorant Edward Pang PhD '21 et des professeurs Gregory Olson et Christopher Schuh, tous du Département de science et génie des matériaux du MIT.

Les matériaux à mémoire de forme, explique Schuh, ont deux formes distinctes et peuvent basculer entre elles. Ils peuvent être facilement déclenchés par la température, des contraintes mécaniques ou des champs électriques ou magnétiques, pour changer de forme d'une manière qui exerce une force, dit-il.

"Ce sont des matériaux intéressants parce qu'ils sont en quelque sorte comme un piston à l'état solide", dit-il - en d'autres termes, un appareil qui peut pousser contre quelque chose. Mais alors qu'un piston est un assemblage de plusieurs pièces, un « matériau à mémoire de forme est un matériau à l'état solide qui fait tout cela. Il n'a pas besoin d'un système. Il n'a pas besoin de beaucoup de pièces. C'est juste un matériau, et il change de forme spontanément.

Les métaux à mémoire de forme sont utilisés depuis longtemps comme de simples actionneurs dans une variété d'appareils, mais sont limités par les températures de service réalisables des métaux utilisés, généralement de quelques centaines de degrés Celsius au maximum. La céramique peut supporter des températures beaucoup plus élevées, parfois jusqu'à des milliers de degrés, mais est connue pour sa fragilité. Maintenant, l'équipe du MIT a trouvé un moyen de surmonter cela et de produire un matériau céramique qui peut s'actionner sans accumuler de dommages, lui permettant ainsi de fonctionner de manière fiable en tant que matériau à mémoire de forme à travers de nombreux cycles d'utilisation.

"Les matériaux à mémoire de forme qui existent dans le monde sont tous en métal", explique Schuh. "Lorsque vous modifiez la forme d'un matériau au niveau atomique, de nombreux dommages peuvent être créés. Les atomes doivent se remanier et modifier leur structure. Et au fur et à mesure que les atomes se déplacent et se remanient, il est assez facile de les placer au mauvais endroit, de créer des défauts et d'endommager le matériau, ce qui les conduit à se fatiguer et finit par s'effondrer."

Il ajoute que "vous vous retrouvez avec des matériaux qui peuvent se déformer plusieurs fois, mais qui finissent par se dégrader et ils peuvent s'effondrer. Et parce que les métaux sont si ductiles, ils sont un peu plus résistants aux dommages, et donc le domaine s'est vraiment concentré sur les métaux car lorsqu'un métal est endommagé à l'intérieur, il peut le tolérer".

La céramique, en revanche, ne tolère pas du tout les dommages et ne se plie pas mais se fracture normalement. La zircone est connue pour avoir une propriété de mémoire de forme, mais elle accumule très facilement des dommages au cours d'un cycle de mémoire de forme - une propriété mesurée comme une hystérésis élevée. "Ce que nous voulions faire avec ce travail, c'était concevoir une nouvelle céramique et cibler spécifiquement cette hystérésis. Nous voulions concevoir une céramique où la transformation [de la forme] est en quelque sorte encore gigantesque : nous voulons faire beaucoup de travail. Mais en interne, à l'échelle atomique, c'est plus doux."

Schuh explique que Pang, qui a dirigé les travaux, "a pris tous les outils modernes de la science, tout ce que vous pouvez nommer - la thermodynamique computationnelle, la physique de la transformation de phase, les calculs cristallographiques, l'apprentissage automatique - et il a réuni tous ces outils d'une manière totalement nouvelle" afin de résoudre le problème de la création d'un tel matériau.

Le résultat a été une nouvelle variante de zircone. "En gros, c'est de la zircone", dit Schuh. "Il ressemble, sent et goûte comme la zircone que les gens connaissent et utilisent déjà, y compris comme la zircone cubique dans les bijoux." Mais certains atomes de différents éléments ont été introduits dans sa structure d'une manière qui modifie certaines de ses propriétés. Ces éléments "se dissolvent dans le réseau, et ils le sculptent, et ils changent cette transformation, ils la rendent plus douce à l'échelle atomique".

L'hystérésis a tellement changé qu'elle ressemble maintenant à celle des métaux, dit Schuh. "C'était un changement énorme, énorme - nous parlons d'un facteur de 10." Et la déformation que le matériau peut atteindre s'élève à environ 10 %, ce qui signifie qu'une tige de ce matériau pourrait s'allonger de 10 % lorsqu'elle est déclenchée, ce qui est suffisant pour effectuer un travail important.

Une application courante des matériaux à mémoire de forme est les soupapes de décharge, où si un réservoir de quelque chose dépasse une certaine température critique, la soupape est déclenchée par cette chaleur, s'ouvrant automatiquement pour relâcher la pression et empêcher l'explosion. Le nouveau matériau céramique pourrait désormais étendre cette capacité à des situations de températures beaucoup plus élevées que celles que les matériaux actuels pourraient supporter.

Par exemple, les actionneurs qui dirigent le flux d'air à l'intérieur d'un moteur à réaction pourraient être une application utile, dit Pang. Bien que l'environnement global y soit chaud, divers canaux de flux d'air sont contrôlés, de sorte que ces flux pourraient être utilisés pour déclencher une céramique à mémoire de forme en dirigeant de l'air plus froid ou plus chaud sur l'appareil selon les besoins.

Aujourd'hui, les céramiques à mémoire de forme qui existent "sont en quelque sorte une curiosité de laboratoire", car elles s'effondrent après quelques cycles, explique Schuh. "C'est un pas dans la direction de la fabrication de quelque chose qui peut fonctionner de manière reproductible et fiable de très nombreuses fois en service."

L'équipe prévoit de continuer à explorer le matériau, à trouver des moyens de le produire en lots plus importants et dans des formes plus complexes, et à tester sa capacité à résister à de nombreux cycles de transformation.

Ce qui l'a attiré vers ce projet en premier lieu, dit Schuh, c'est son potentiel pour de larges applications. "Il y a des choses que nous faisons avec des systèmes mécaniques complexes qui ont beaucoup de pièces et d'assemblages, et l'idée que vous pouvez remplacer un ensemble compliqué de choses avec un seul matériau qui a la fonctionnalité intégrée à l'échelle atomique - pour moi, c'est attrayant parce que cela transforme de grandes choses compliquées en petites choses simples. D'une certaine manière, c'est comme remplacer des tubes à vide par des transistors. "

Bien qu'il soit difficile de prédire les domaines où ce matériau trouvera ses premières utilisations pratiques, Schuh dit que, par exemple, "il est très difficile de réduire un piston hydraulique. Il est difficile de le faire à l'échelle micro". Mais maintenant, "l'idée que vous avez une version à semi-conducteurs de cela à très petite échelle - j'ai toujours pensé qu'il y avait beaucoup d'applications pour les mouvements à l'échelle microscopique. Des microrobots dans de petits endroits, des vannes de laboratoire sur puce, beaucoup de petites choses qui ont besoin d'être actionnées pourraient bénéficier de matériaux intelligents comme celui-ci. "

Ces chercheurs "montrent comment les connaissances en science des matériaux, les principes de conception solides et la pensée créative peuvent être combinés pour découvrir des matériaux qui seraient considérés comme impossibles à trouver autrement", explique Raymundo Arroyave, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la Texas A&M University, qui n'était pas associé à ce travail. Ce travail, dit-il, "est une belle démonstration de la puissance de la" pensée scientifique des matériaux ", fondée sur des principes de conception de matériaux éprouvés pour démontrer que les céramiques à mémoire de forme peuvent avoir des propriétés proches de certaines des meilleures de leurs homologues métalliques. "

Les travaux ont été soutenus par le US Army Research Office, en partie par l'intermédiaire de l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT, et par la US National Science Foundation.

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