Conception par emboîtement, fabrication et test laser programmables pour céramiques architecturées

Oct 07, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17330 (2022) Citer cet article

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Les systèmes céramiques solides et résistants aux chocs offrent un large éventail d'opportunités remarquables au-delà de celles offertes par les céramiques fragiles conventionnelles. Cependant, malgré leur promesse, la disponibilité de techniques de fabrication traditionnelles pour fabriquer de telles structures céramiques avancées d'une manière hautement contrôlable et évolutive pose un goulot d'étranglement de fabrication important. Dans cette étude, un système de fabrication laser précis et programmable a été utilisé pour fabriquer des céramiques à emboîtement topologique. Cette stratégie de fabrication offre des mécanismes réalisables pour une architecture matérielle précise et un contrôle quantitatif des processus, en particulier lorsque l'évolutivité est prise en compte. Une méthode d'enlèvement de matière optimisée qui se rapproche de la mise en forme quasi nette a été utilisée pour fabriquer des systèmes céramiques à emboîtement topologique (assemblages porteurs de blocs de construction interagissant par contact et friction) avec différentes architectures (c'est-à-dire, angles d'emboîtement et tailles de blocs de construction) soumis à des conditions d'impact à faible vitesse. Ces impacts ont été évalués à l'aide de la corrélation d'images numériques 3D. Les céramiques agrafées optimales ont présenté une déformation plus élevée (jusqu'à 310%) que les autres agrafées avantageuses pour les protections souples. Leurs performances ont été ajustées en contrôlant l'angle d'emboîtement et la taille des blocs, en ajustant le glissement par friction et en minimisant les dommages aux blocs de construction. De plus, la technique de fabrication soustractive développée conduit à la fabrication de systèmes céramiques résistants, résistants aux chocs et tolérants aux dommages avec une excellente polyvalence et évolutivité.

Les systèmes céramiques robustes et résistants aux chocs représentent une révolution en cours dans les matériaux et les structures pour les applications aérospatiales, marines, automobiles, de construction et de blindage1. Leurs propriétés exceptionnelles (par exemple faible densité, résistance élevée à la compression, stabilité thermique élevée et résistance élevée à l'oxydation et à la corrosion) ainsi qu'une ténacité et une résistance aux chocs multiples améliorées offrent des avantages uniques par rapport aux systèmes céramiques rigides conventionnels. Parmi de nombreuses possibilités, les céramiques résistantes sont apparues comme un candidat idéal pour les conditions thermomécaniques extrêmes telles que les systèmes de protection thermique dans les moteurs à turbine à gaz, les bords d'attaque ou les composants des moteurs à tuyère2. Les céramiques architecturales, en particulier, ont attiré une attention particulière en raison de leurs performances mécaniques élevées (c'est-à-dire rigides, résistantes, résistantes aux chocs multiples et tolérantes aux dommages) dans les applications d'ingénierie avancées3. La nature intrinsèque rigide et fragile au niveau des composants individuels peut être traduite avec succès en une ténacité accrue au niveau structurel global via la bioinspiration, comme on le voit dans les matériaux biologiques tels que l'os4, la nacre5, l'émail dentaire6 ou les spicules d'éponge7. Parmi les stratégies de bioinspiration qui offrent une amélioration de la ténacité, le "concept d'enclenchement topologique" consiste en des blocs de construction durs et rigides liés le long d'interfaces faibles8,9,10. Le défi réside dans la fabrication précise et industriellement évolutive de telles structures améliorées mécaniquement8,11,12,13.

Les technologies avancées de fabrication soustractive et additive sont apparues comme des solutions prometteuses pour la fabrication de céramiques architecturées avec des conceptions architecturées sophistiquées14,15. La technique de fabrication soustractive envisagée englobe l'utilisation de systèmes laser avancés pour développer des architectures tridimensionnelles (3D) dans des matériaux fragiles (par exemple, le verre), ce qui améliore la résistance aux charges d'impact quasi statiques et à faible vitesse16. Cependant, l'utilisation des technologies de fabrication soustractive pour l'usinage de matériaux fragiles présente des inconvénients considérables. Des exemples de ces obstacles techniques incluent la complexité de l'optimisation des paramètres de processus pour des configurations laser diverses et différentes, des compositions et épaisseurs de matériaux et des objectifs géométriques/topologiques. Il y a eu une enquête importante sur les effets paramétriques de divers paramètres de laser à fibre, y compris l'effet de la fluence sur le taux d'ablation17,18, du pas de trame sur la rugosité de surface19, et de la vitesse de déplacement et de la position focale sur la qualité de coupe20. Les résultats de cette recherche ont conduit à la minimisation des ondulations et à l'élimination des fissures lors de la coupe par ablation. Bien que de nombreuses études aient été réalisées sur la conception et l'assemblage (par exemple, l'usinage, le moulage ou la fabrication additive) de verres ou de céramiques à verrouillage topologique10,21, moins d'attention a été accordée au développement de techniques de mise en forme précises et quasi nettes et de fabrication soustractive industriellement évolutives pour fabriquer de telles céramiques architecturées.

Dans cette étude, un outil de fabrication efficace et efficient offrant un système d'élimination de matériau de mise en forme quasi net a été utilisé pour fabriquer des céramiques à emboîtement topologique. Un système laser à fibre pulsée picoseconde a été utilisé pour contrôler la conicité du trait de scie (angle de coupe) et obtenir des coupes profondes et de haute qualité (c'est-à-dire les interfaces faibles) avec une période de fabrication réduite. Des panneaux topologiquement emboîtés ont été choisis pour cette enquête, avec plusieurs tailles de blocs de construction et angles d'emboîtement testés. Les panneaux ont été soumis à des charges d'impact à faible vitesse pour évaluer les caractéristiques de déflexion des architectures conçues. Les mécanismes de déformation et de durcissement ont été explorés plus en détail pour développer une compréhension de la relation structure-propriété de chacun des panneaux fabriqués. Bien que ce travail se concentre sur la mise en œuvre de panneaux topologiquement imbriqués, un large éventail de géométries architecturées peut être développé en utilisant les méthodes délimitées.

La fabrication de panneaux céramiques topologiquement imbriqués est un processus complexe nécessitant une compréhension fondamentale des propriétés optiques du substrat (c'est-à-dire l'alumine). Une méthode précédemment développée22,23 utilisait un motif d'oscillation circulaire contrôlé par le scanner laser pour minimiser l'accumulation de chaleur résiduelle, la formation de microfissures et les modifications des propriétés du matériau. Un laser à fibre picoseconde Ytterbium (YLPP-25-3-50-R, IPG Photonics, USA) a été utilisé pour le processus d'usinage au laser (voir Fig. 1a, b). Une étude paramétrique a été menée pour évaluer la qualité et la précision des coupes afin de s'assurer que les angles d'emboîtement souhaités pouvaient être efficacement fabriqués. Le contrôle de la conicité du trait de scie dans les échantillons d'alumine a ainsi été réalisé via des paramètres de balayage sélectionnés. L'angle d'emboîtement des coupes ablatées avec des profils en forme de "V" peut être déterminé en utilisant \(\theta =\mathrm{arctan}\left(\frac{W}{2\mathrm{H}}\right)\), une fonction de l'épaisseur du panneau (H) et de l'amplitude d'oscillation (W). Les données recueillies à partir de diverses expériences d'ablation sont tracées par rapport à l'approximation géométrique, comme le montre la figure 1a. Les données expérimentales tracées montrent une forte corrélation avec la formulation théorique pour les amplitudes d'oscillation testées, illustrant la méthodologie pour la conicité du trait de scie et le contrôle de l'angle de verrouillage. Par exemple, une coupe traversante utilisant une plage d'amplitudes d'oscillation de 0,3 à 2,0 mm pourrait théoriquement produire des angles de verrouillage allant de 3,4 ° à 21,5 °. Cependant, il existe une limite pratique qui existe pour les amplitudes d'oscillation inférieures à 1,0 mm en raison de l'écrêtage des points laser incidents par les surfaces effilées des coupes. Le phénomène d'écrêtage place une partie du spot laser hors foyer lors de la coupe, diminuant ainsi la densité d'énergie de la zone de coupe. Avec des amplitudes d'oscillation décroissantes, l'écrêtage est plus important, ce qui entrave la capacité du laser à ablater le matériau dans la région de coupe et à effectuer des coupes traversantes sur des panneaux en céramique de 2,54 mm d'épaisseur. Par conséquent, les longs temps de traitement résultant de l'efficacité réduite n'entraînent pas l'angle de verrouillage prédit par les amplitudes d'oscillation de 0,5 mm ou moins viable pour des profondeurs de coupe supérieures à 1,2 mm. Enfin, à mesure que l'amplitude de l'oscillation circulaire augmente, l'écrêtage du faisceau diminue en raison de la géométrie de coupe plus large. Par conséquent, des coupes plus profondes ne peuvent être réalisées que pour les plus grandes amplitudes d'oscillation avec les 220 passages nécessaires pour couper à travers le carreau de céramique de 2,54 mm d'épaisseur (en utilisant une amplitude d'oscillation de 1,5 mm).

(a) Dépendance géométrique de l'angle de verrouillage par rapport à l'épaisseur du panneau, (b) le système laser et son équipement, (c) le schéma des profils de coupe développés et (d) les formes de motif d'oscillation circulaire et ses paramètres.

Les Fig. 1a à d proposent une approche pour prédire une architecture de haute qualité, basée sur les amplitudes d'oscillation, la fréquence d'oscillation, la vitesse de déplacement linéaire et le nombre de passages. Tout d'abord, en saisissant un angle de verrouillage (θ) et l'épaisseur du carreau de céramique (H), un ensemble d'amplitudes d'oscillation pratiquement réalisables peut être calculé sur la base de \(\theta =\mathrm{arctan}\left(\frac{W}{2\mathrm{H}}\right)\), où W est la largeur de la découpe au laser (ou amplitude d'oscillation). Pour donner la priorité au taux d'enlèvement de matière par rapport au temps de traitement, un ensemble de basses fréquences d'oscillation et de vitesses linéaires correspondantes est choisi, de sorte que le pas d'oscillation soit inférieur ou égal à 30 µm pour minimiser les artefacts céramiques le long de la ligne de coupe et maintenir une qualité de coupe acceptable. Le nombre spécifique de passages est ensuite déterminé en fonction de l'amplitude pour obtenir l'angle d'emboîtement final. Enfin, l'angle de verrouillage expérimental peut être comparé aux entrées initiales pour ajuster l'amplitude d'oscillation ou le nombre de passages.

Des panneaux de céramique d'alumine (dimensions = 113,24 × 113,24 × 2,54 mm3, céramique d'alumine non poreuse cuite à haute tolérance avec une composition de matériau de 96 % et une densité de 3875 kg/m3, McMaster-Carr) ont été découpés en panneaux carrés plus petits à l'aide d'une scie diamantée (M0D31, Struers, Danemark). Les panneaux carrés ont été coupés de telle sorte que les dimensions finales des panneaux topologiquement imbriqués finaux soient de 50 × 50 mm2. Les données du tableau 1 indiquent le dimensionnement des panneaux carrés en fonction du cône de coupe cible ou de l'angle d'emboîtement. De plus, la dépendance de la conicité du trait de scie à l'amplitude d'oscillation du motif laser circulaire est présentée. La figure 2 illustre les étapes de fabrication pour fabriquer le panneau d'alumine à verrouillage topologique à l'aide du laser picoseconde. Deux lignes, espacées du paramètre β, sont coupées à travers les échantillons d'alumine (c'est-à-dire > 2,54 mm). Par exemple, un angle de verrouillage final de 15° est ciblé et l'amplitude d'oscillation correspondante de 1,337 mm est définie. Cela a produit un angle de coupe mesuré de 30° de l'échantillon traversant. L'échantillon carré est ensuite tourné de 90° autour de l'axe vertical et retourné sur le côté inférieur pour usiner deux coupes supplémentaires à travers l'échantillon. Le panneau d'emboîtement final est assemblé en faisant tourner les carreaux de bord comme illustré à la Fig. 2b. L'échantillon a ensuite été scotché et transféré sur une fixation en acier équipée de boulons électriques qui ont été ajustés pour confiner les panneaux sans application de pré-compression. Une fois les blocs de construction placés dans le luminaire, le ruban a été retiré.

(a) Fabrication d'une céramique à emboîtement topologique à 15 ° à l'aide du système d'enlèvement de matière au laser. Le motif circulaire a été exagéré pour la visualisation ; en réalité, le diamètre correspond à la largeur de coupe. (b) Schéma de la configuration d'assemblage pour un panneau architecturé et le luminaire. Les quatre profils avec les vis électriques sur les côtés de la structure ont été utilisés pour imposer un confinement fixe dans le plan requis pour l'emboîtement, et (c) l'espacement des lignes pour obtenir un panneau d'emboîtement de 50 × 50 mm2.

Le schéma de traitement au laser développé a été basé sur des travaux antérieurs qui impliquent l'utilisation d'un motif d'oscillation circulaire pour obtenir des coupes profondes de précision. L'ablation pour des profondeurs allant jusqu'à 2,54 mm nécessite l'ajustement des paramètres au cours du processus laser, des augmentations primaires de la densité d'énergie laser et de la position focale. Les coupes à angle faible (par exemple 20° ou moins) nécessitent des temps de traitement plus longs en raison des taux d'enlèvement de matière inférieurs et du réglage consécutif des paramètres par rapport aux coupes à angle plus large (par exemple 25° et 30°). Le schéma mis en œuvre pour le système laser picoseconde spécifique utilisé est présenté dans le tableau 2. La densité d'énergie des coupes ablatées a été modifiée en diminuant la fréquence et la vitesse d'oscillation pour obtenir un enlèvement de matière adéquat à de plus grandes profondeurs. Pour les angles moins profonds, ceux-ci ont été ajustés plusieurs fois pour obtenir des coupes traversantes. La position focale a été modifiée après 300 passages pour recentrer le faisceau gaussien sur la géométrie de coupe sur la surface d'alumine. Pour les angles plus larges, une seule étape de réglage a été nécessaire pour réaliser des coupes traversantes. Par conséquent, le temps de traitement pour fabriquer chaque panneau dépend de l'angle d'emboîtement et du nombre de carreaux. Les panneaux utilisant les dalles à emboîtement 3 × 3, 5 × 5 et 7 × 7 utilisent des longueurs et des espacements de ligne différents pour garantir que la dimension finale du panneau à emboîtement est constante de 50 × 50 mm2. Ces dimensions sont calculées à l'aide des relations géométriques illustrées à la figure 2c. Cette figure représente également les deux cônes distincts sur le carreau de céramique qui sont fabriqués pour s'assurer que les bords s'engrènent avec les carreaux adjacents. La valeur de β correspond à l'espacement des lignes des coupes par le laser picoseconde et varie en fonction du nombre de tuiles et de l'angle d'emboîtement. Avant de fabriquer les panneaux, un schéma est conçu dans le logiciel du laser picoseconde pour contrôler l'espacement des lignes de coupe et la dimension du panneau en utilisant la valeur β calculée. Dans cette étude, les architectures (c'est-à-dire l'angle d'emboîtement et la taille des blocs) des panneaux ont été modifiées, mais leurs dimensions globales sont restées constantes. En plus des céramiques architecturées, des céramiques monolithiques d'encombrement et d'épaisseur identiques (c'est-à-dire 2,54 mm) ont été fabriquées et testées à des fins de comparaison. Les panneaux coupés sont assemblés à l'aide d'une fixation en acier avec quatre pinces réglables. La figure 2b montre l'assemblage du panneau 3 × 3 sur la fixation en acier sur laquelle aucune force de compression n'est appliquée dans les directions planes. Les panneaux emboîtés sont ensuite testés sous la charge d'impact.

Les céramiques architecturées ont été impactées à l'aide d'une machine à masse tombante à faible vitesse basée sur les directives données dans la norme ASTM D376324. L'impacteur hémisphérique de 5 mm ayant une masse de 1030 g a été utilisé pour appliquer la charge à la structure. L'hémisphère était positionné au milieu de la structure. La vitesse d'impact initiale a été fixée à 1,70 m/s. La charge de l'impacteur et la vitesse de l'impacteur tout au long du test ont été surveillées et enregistrées à l'aide d'une cellule de charge (capteur de charge piézoélectrique à pénétration, avec une capacité de charge de 22,5 kN) et d'un détecteur de vitesse (un bloc photodétecteur et un drapeau), respectivement.

Un système de corrélation d'images numériques 3D (DIC) a été utilisé pendant les tests d'impact pour mesurer le déplacement hors plan des panneaux en céramique, comme illustré à la Fig. 3. Le système DIC stéréoscopique se composait de deux caméras à grande vitesse (Photron SA-X) avec deux objectifs Sigma (28–135 mm f/3,8–5,6 Aspherical IF Macro) réglés pour capturer des images à 12 500 images par seconde (fps) avec une résolution de 1024 × 1 024 pixels. Deux lumières LED à haute intensité (JAB Bullet) ont été utilisées pour fournir un éclairage uniforme. Un motif de mouchetures stochastiques a été appliqué sur la surface supérieure de la céramique à l'aide d'un marqueur noir à pointe fine25. Les données DIC ont été analysées à l'aide du logiciel Vic-3D (version 9, Correlated Solutions Inc.).

Céramiques topologiquement imbriquées : (a) 3 × 3, (b) 5 × 5, (c) 7 × 7 réseaux de blocs (30°) et (d) test d'impact à faible vitesse et configurations DIC.

L'algorithme DIC nécessite deux paramètres pour calculer un champ de déplacement dans la zone d'intérêt (AOI) : la taille du sous-ensemble et la taille du pas. La taille du sous-ensemble définit la taille des régions carrées dans lesquelles l'AOI est subdivisée et la taille du pas dicte la densité de données du champ de déplacement calculé. Pour ces tests, la taille du sous-ensemble a dû être choisie avec soin pour chaque panneau afin de garantir que les données de chaque carreau de céramique ne soient pas influencées par erreur par les carreaux voisins. Les tailles de sous-ensemble et de pas utilisées pour ces tests en pixels étaient (15, 3), (31, 5) et (29, 8) pour les panneaux de blocs 3 × 3, 5 × 5 et 7 × 7, respectivement.

Cette analyse DIC a abouti à des cartes de déplacement plein champ spatialement et temporellement denses. Pour examiner la déflexion à travers les panneaux au fil du temps, un profil de ligne a été tracé au centre de chaque panneau et le déplacement hors du plan à travers ce profil de ligne a été extrait à trois étapes clés pour chaque panneau : avant l'impact, à la déviation maximale et à la fin du test. Les données ont également été extraites dans les intervalles entre ces étapes, fournissant un total de cinq extractions de lignes par panel.

Lorsqu'un panneau architecturé est soumis à une charge d'impact, le glissement relatif et la rotation des blocs individuels conduisent à des déformations globales importantes, alors qu'ils ne se déforment pas sensiblement. Comme ces mouvements relatifs provoquent un glissement par frottement, le panneau architecturé absorbe également beaucoup plus d'énergie mécanique qu'un panneau uni réalisé avec le même matériau. Pour céramique ordinaire; cependant, une grande partie de l'énergie est dissipée par la fracture des matériaux fragiles. Les architectures et déformations contrôlées aux interfaces faibles des blocs conduisent à la céramique, un matériau fragile, à grandes déformations et à fortes capacités d'absorption d'énergie. La figure 4 présente la déflexion des panneaux à cinq stades de chargement (avant l'impact, entre, déflexion maximale, entre, fin de l'essai) le long de la direction x et de leurs centres des céramiques imbriquées topologiquement (angle d'emboîtement de θ = 20°, 25°, 30° et 3 × 3, 5 × 5, 7 × 7 nombre de blocs). Il convient de noter que la déflexion maximale est enregistrée avant la chute de la force. Les panneaux céramiques architecturés illustrent des différences significatives. En particulier, le panneau 5 × 5 blocs présente la déflexion la plus élevée parmi tous les panneaux topologiquement imbriqués. De plus, les céramiques architecturées (telles que le panneau 5 × 5 blocs avec θ = 20° et le panneau 7 × 7 blocs avec θ = 25°) montrent une réponse en forme de cloche liée à une rupture progressive et à l'indication de structures dures. Les panneaux architecturés ont cédé par un refoulement progressif du bloc central par l'impacteur. Les effets de l'angle d'emboîtement sur les propriétés d'impact des céramiques architecturées sont observés sur la figure 4. Les panneaux avec les angles d'emboîtement inférieurs ont une déviation plus élevée. Lorsque l'on compare le nombre de blocs, les panneaux en céramique avec les réseaux de blocs 5 × 5 ont une déflexion supérieure de 310 %, par rapport aux panneaux avec les réseaux de blocs 3 × 3 avec le même angle d'emboîtement (voir Fig. 4).

La déflexion à travers les panneaux obtenue par DIC à cinq étapes de chargement : céramique architecturée avec les angles d'emboîtement (θ = 20°, 25° et 30°) et le nombre de blocs (3 × 3, 5 × 5 et 7 × 7).

La figure 5 présente le champ de déplacement DIC 3D dans la direction z pour les céramiques imbriquées. Les panneaux architecturés démontrent une réponse en forme de cloche et une défaillance progressive. Les panneaux architecturés se sont rompus par un refoulement progressif du carreau central par l'impacteur, tandis que le reste des carreaux reste intact. Aucune fissure de flexion n'a été observée dans les panneaux architecturés. La segmentation des panneaux en blocs de construction diminue la portée sur laquelle les contraintes de flexion sont développées, ce qui entraîne une augmentation de la force nécessaire pour induire des fissures de flexion. Étant donné que la force nécessaire pour développer des fissures de flexion augmente, aucune fissure de flexion ne peut être observée dans les panneaux architecturés. Le panneau céramique architecturé est composé de blocs de construction et sa portée se réduit (c'est-à-dire, 3 × 3-, 5 × 5- et 7 × 7-block panel = 1,67, 1 et 0,71 mm, respectivement).

Essais d'impact de panneaux céramiques : champ de déplacement DIC 3D dans la direction z pour les céramiques imbriquées avec les angles d'emboîtement (θ = 20 °, 25 ° et 30 °) et le nombre de blocs (3 × 3, 5 × 5 et 7 × 7).

Les figures 6a, b présentent la déformation maximale et la déformation maximale en fonction du temps lorsque la déformation maximale se produit pour la céramique architecturée et simple en fonction de l'angle de verrouillage (θ = 20°, 25° et 30°) et du nombre de blocs (3 × 3, 5 × 5 et 7 × 7). Les différences observées se traduisent par des variations de rigidité, de résistance et d'absorption d'énergie. Le panneau uni se déforme autant que le panneau 5 × 5 blocs avec θ = 20°. Généralement, les panneaux avec un angle d'emboîtement plus petit ont montré une déformation maximale plus élevée, sauf pour le panneau de 3 × 3 blocs. On voit sur la Fig. 6b que les panneaux de blocs 5 × 5 et 7 × 7 ont pris plus de temps pour atteindre leurs déviations maximales par rapport au panneau de blocs 3 × 3. Les panneaux de blocs 5 × 5 et 7 × 7 présentent également une flèche maximale plus élevée (voir Fig. 6a). Les résistances des céramiques architecturées devraient être nettement inférieures à celles du panneau uni en raison des interfaces de frottement dans le système de matériaux. Cependant, ceci est avantageux pour une protection souple comme dans les équipements de protection individuelle. L'amélioration de l'absorption d'énergie confère au système céramique une résistance multi-impact. Il est important de noter que les céramiques architecturées peuvent avoir moins de charge de réponse transférée au système, ce qui est un autre avantage pour les applications d'armure et de blindage. La rigidité des panneaux devrait augmenter avec l'angle d'emboîtement en raison de l'interaction mécanique accrue entre les blocs.

Les propriétés des céramiques architecturées et simples : (a) déformation maximale, et (b) déformation maximale en fonction du temps à la déformation maximale des panneaux en fonction de l'angle d'emboîtement (θ = 20°, 25° et 30°) et du nombre de blocs (3 × 3, 5 × 5 et 7 × 7).

Nous avons démontré une technique de fabrication soustractive hautement efficace et polyvalente utilisant un système laser à fibre picoseconde. En optimisant les paramètres critiques du processus laser dans le système d'enlèvement de matière, la fabrication et le concept d'amélioration des propriétés de déformation par des céramiques à emboîtement topologique ont été présentés avec une évolutivité potentielle. La nature du système laser développé permet de contrôler les architectures avec une grande précision. Ce contrôle précis au niveau multi-échelle de la céramique architecturée rend notre technique particulièrement avantageuse dans le potentiel de fabrication de céramique avancée à grande échelle. La robustesse de la technique permet en outre la fabrication hybride de structures d'ingénierie de matériaux radicalement différents. On voit que le panneau emboîté a tendance à se dilater latéralement sous la charge d'impact en raison de la conception conique des blocs de construction. Étant donné que l'expansion latérale est limitée par la fixation, une compression dans le plan se produit à l'intérieur de la céramique. Une partie de la compression dans le plan (ou énergie élastique) est maintenue dans le panneau après la fin du test car les blocs de construction sont pressés les uns contre les autres. La flèche diminue avec l'angle d'emboîtement et augmente avec l'augmentation du nombre de blocs. En augmentant le nombre de blocs de construction d'un panneau architecturé, la fabricabilité devient plus longue et difficile. Cependant, un panneau architecturé avec un plus grand nombre de blocs de construction (ce qui est moins rigide) est plus adapté aux applications où le confort joue un rôle plus important (par exemple, les équipements de protection du personnel). Au contraire, les panneaux architecturés avec le moins de blocs de construction ont une résistance plus élevée, ce qui est un avantage pour les applications d'armure et de blindage. La stratégie de conception développée démontre un nouvel espace de conception pour la céramique architecturée couvrant un large éventail d'applications d'ingénierie en ajustant l'angle d'emboîtement, la taille des blocs de construction et en faisant varier la taille et l'angle sur la largeur du panneau. Les panneaux en céramique développés peuvent être utilisés pour des applications de blindage (c.-à-d. équipement de protection individuelle)26 ou pour des systèmes de barrière thermique27.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Le travail est financé par le programme Sécurité, Technologies des matériaux (SMT), Canada au Conseil national de recherches du Canada (CNRC) numéro de subvention HYBA22. Les auteurs remercient R. Desnoyers pour l'assistant technique pour les essais d'impact.

Centre des technologies de fabrication aérospatiale, Conseil national de recherches Canada, 5145, avenue Decelles, Montréal, QC, H3T 2B2, Canada

H. Yazdani Sarvestani, I. Esmail, Z. Katz & B. Ashrafi

Laboratoire de performance des structures et des matériaux, Conseil national de recherches Canada, 1200, chemin Montréal, Ottawa, ON, K1A 0R6, Canada

S. Jain, JH Sa et D. Backman

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HY : Conceptualisation ; conservation des données ; Analyse formelle ; Enquête; Méthodologie; Surveillance; Visualisation; Rôles/Rédaction—ébauche originale ; Rédaction—révision et édition. IE : conservation des données ; Enquête; Méthodologie; Rédaction—révision et édition. ZK : conservation des données ; Enquête; Méthodologie; Rédaction—révision et édition. SJ : conservation des données ; Enquête; Méthodologie; Rédaction—révision et édition. JHS : conservation des données ; Enquête; Méthodologie; Rédaction—révision et édition. DB : Conceptualisation ; Analyse formelle ; Acquisition de financement ; Enquête; Méthodologie; Ressources; Logiciel; Surveillance; Rédaction—révision et édition. BA : Conceptualisation ; Analyse formelle ; Acquisition de financement ; Enquête; Méthodologie; Ressources; Logiciel; Surveillance; Rédaction—révision et édition.

Correspondance à H. Yazdani Sarvestani ou B. Ashrafi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Yazdani Sarvestani, H., Esmail, I., Katz, Z. et al. Conception par emboîtement, fabrication laser programmable et test de céramiques architecturées. Sci Rep 12, 17330 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22250-9

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Reçu : 23 août 2022

Accepté : 12 octobre 2022

Publié: 15 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22250-9

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