Un nouveau matériau pourrait signifier une armure légère, des revêtements protecteurs

Un nouveau matériau pourrait signifier une armure légère, des revêtements protecteurs

La recherche financée par l’armée identifie un nouveau matériau qui peut conduire à une armure légère, des revêtements protecteurs, des boucliers anti-souffle et d’autres structures résistantes aux chocs. Crédit : MIT

Des recherches financées par l’armée ont identifié un nouveau matériau pouvant conduire à une armure légère, à des revêtements protecteurs, à des boucliers anti-explosion et à d’autres structures résistantes aux chocs.

Des chercheurs de l’Institute for Soldier Nanotechnologies de l’armée américaine au Massachusetts Institute of Technology, Caltech et ETH Zürich ont découvert que les matériaux formés à partir de treillis nanométriques à motifs précis sont plus résistants que le Kevlar et l’acier.

Au cours d’expériences, les structures ultralégères, appelées matériaux nano-architecturés, ont absorbé l’impact de projectiles microscopiques accélérés à des vitesses supersoniques.

« Augmenter la protection tout en diminuant simultanément le poids que portent les soldats est un thème trop important dans nos recherches », a déclaré le Dr James Burgess, responsable du programme ISN pour le US Army Combat Capabilities Development Command, connu sous le nom de DEVCOM, Army Research Laboratory. « Ce projet est un très bon exemple de tels efforts où l’absorption d’énergie du projectile est basée sur un mécanisme nanostructuré. »

La recherche, publiée dans Matériaux naturels, a constaté que le matériau empêchait les projectiles de le déchirer.

« La même quantité de masse de notre matériau serait beaucoup plus efficace pour arrêter un projectile que la même quantité de masse de Kevlar », a déclaré le Dr Carlos Portela, professeur adjoint de génie mécanique au MIT, auteur principal de l’étude.

Les chercheurs calculent que le nouveau matériau absorbe les impacts plus efficacement que l’acier, le Kevlar, l’aluminium et d’autres matériaux résistants aux chocs de poids comparable.

« Les connaissances issues de ce travail… pourraient fournir des principes de conception pour des matériaux ultra-légers résistants aux chocs [for use in] des matériaux de blindage efficaces, des revêtements protecteurs et des boucliers résistants aux explosions souhaitables dans les applications de défense et spatiales », a déclaré la co-auteure, le Dr Julia R. Greer, professeure de science des matériaux, de mécanique et de génie médical à Caltech, dont le laboratoire a fabriqué le matériau .

Les matériaux nanoarchitecturés sont connus pour présenter des propriétés impressionnantes telles qu’une légèreté et une résilience exceptionnelles; cependant, jusqu’à présent, le potentiel d’applications supplémentaires n’a en grande partie pas été testé.

« Nous ne connaissons sa réponse que dans un régime de déformation lente, alors qu’une grande partie de leur utilisation pratique est supposée être dans des applications du monde réel où rien ne se déforme lentement », a déclaré Portela.

Pour aider à combler cette lacune vitale dans les connaissances, l’équipe de recherche a entrepris d’étudier les matériaux nanoarchitecturés subissant une déformation rapide, telle que celle causée par des impacts à grande vitesse. À Caltech, les chercheurs ont d’abord fabriqué un motif répétitif connu sous le nom de tétrakaidécaèdre – une configuration en réseau composée d’entretoises microscopiques – en utilisant la lithographie à deux photos, une technique qui utilise un laser à haute puissance pour solidifier les structures microscopiques en résine photosensible.

Pour tester la résilience du tétrakaïdécaèdre à une déformation extrême et rapide, l’équipe a effectué des expériences au MIT en utilisant le réseau d’impact de particules induit par laser développé par l’ISN. Ce dispositif vise un laser ultrarapide à travers une lame de verre. En traversant la lame, le laser génère un plasma, une détente immédiate de gaz qui lance les particules vers la cible.

En ajustant la puissance du laser pour contrôler la vitesse des projectiles de microparticules, les chercheurs ont testé des vitesses de microparticules dans la plage supersonique.

« Certaines expériences ont facilement atteint deux fois la vitesse du son », a déclaré Portela.

À l’aide d’une caméra à haute vitesse, les chercheurs ont capturé des vidéos des microparticules impactant le matériau nanoarchitecturé. Ils avaient fabriqué un matériau de deux densités différentes. Une comparaison de la réponse à l’impact des deux matériaux a révélé que le plus dense était plus résistant et que les microparticules avaient tendance à s’incruster dans le matériau plutôt que de le déchirer.

Pour y voir de plus près, les chercheurs ont soigneusement découpé les microparticules intégrées et la cible nano-architecture. Ils ont constaté que les supports sous la particule incrustée s’étaient froissés et compactés en réponse à l’impact, mais que les supports environnants étaient restés intacts.

« Nous montrons que le matériau peut absorber beaucoup d’énergie en raison de ce mécanisme de compactage par choc des entretoises à l’échelle nanométrique, par rapport à quelque chose qui est entièrement dense et monolithique, et non nanoarchitecturé », a déclaré Portela.

À l’avenir, Portela prévoit d’explorer diverses configurations nanostructurées autres que le carbone et des moyens d’augmenter la production de ces nanostructures, le tout dans le but de concevoir des matériaux plus résistants et plus légers.

« Les matériaux nanoarchitecturés sont vraiment prometteurs en tant que matériaux d’atténuation des impacts », a déclaré Portela. « Il y a beaucoup de choses que nous ne savons pas encore à leur sujet, et nous commençons ce chemin pour répondre à ces questions et ouvrir la porte à leurs applications généralisées. »


Le matériau ultraléger résiste aux impacts de microparticules supersoniques


Plus d’information:
Carlos M. Portela et al, Résilience aux impacts supersoniques du carbone nanoarchitecturé, Matériaux naturels (2021). DOI : 10.1038 / s41563-021-01033-z

Fourni par le laboratoire de recherche de l’armée

Citation: Un nouveau matériau pourrait signifier une armure légère, des revêtements protecteurs (2021, 19 juillet) récupérés le 19 juillet 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-07-material-lightweight-armor-coatings.html

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