Les ingénieurs développent une nouvelle forme

Oct 06, 2023

Institut de technologie du Massachusetts, Cambridge, MA

La découverte d'une nouvelle catégorie de matériaux à mémoire de forme - la céramique par opposition au métal - pourrait ouvrir une nouvelle gamme d'applications, en particulier pour les réglages à haute température, tels que les actionneurs à l'intérieur d'un moteur à réaction.

Les matériaux à mémoire de forme 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.

"Ce sont des matériaux intéressants car ils ressemblent un peu à un piston à l'état solide", a déclaré le professeur Christopher Schuh, professeur au Département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT. Autrement dit, ils sont un appareil qui peut pousser contre quelque chose.

Cependant, 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 ont longtemps été utilisés comme de simples actionneurs dans une variété d'appareils, mais ils sont limités par les températures de service réalisables des métaux utilisés - généralement quelques centaines de degrés Celsius, au maximum.

La céramique peut résister à des températures beaucoup plus élevées, parfois jusqu'à des milliers de degrés, que les métaux à mémoire de forme, mais elle est cassante. Une équipe du MIT a trouvé un moyen 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", a déclaré 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.

"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 ", a ajouté Schuh.

L'équipe visait à concevoir une nouvelle céramique et à 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", a-t-il déclaré.

Schuh a expliqué que l'équipe "a pris tous les outils scientifiques modernes, 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" pour résoudre ce problème.

Le résultat a été une nouvelle variante de la zircone, mais certains atomes de différents éléments ont été introduits dans sa structure d'une manière qui modifie certaines de ses propriétés. Les 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, a déclaré Schuh. Et la déformation que le matériau peut atteindre s'élève à environ 10 %.

Les actionneurs qui dirigent le flux d'air à l'intérieur d'un moteur à réaction pourraient être une application utile, a noté l'équipe. Bien que cet environnement global soit chaud, plusieurs canaux de flux d'air sont contrôlés, de sorte que ces flux pourraient être utilisés pour déclencher une céramique à mémoire de forme.

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 davantage de cycles de transformation.

Pour plus d'informations, contactez Abby Abazorius à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir.; 617-253-2709.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de février 2023 de Tech Briefs Magazine.

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