Libérer le « génome des matériaux » pour faire progresser la conception aérospatiale

Le mois dernier, des chercheurs de l'École d'ingénierie aérospatiale, mécanique et mécatronique de l'Université de Sydney ont découvert une méthode de microscopie permettant de découvrir les relations atomiques au sein de matériaux cristallins tels que les aciers avancés et le silicium personnalisé.

L'industrie aérospatiale s'efforce constamment d'améliorer l'efficacité, les performances et la sécurité tout en réduisant les émissions de carbone et en maintenant la durabilité. Ces dernières années, plusieurs progrès technologiques ont élargi les capacités du transport aérien, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur de l'atmosphère terrestre. Cela comprend une technologie satellitaire avancée pour les communications, la fabrication additive de composants légers, la propulsion électrique pour réduire les émissions et les coûts, le vol supersonique pour des voyages plus rapides, ainsi que l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique pour une efficacité opérationnelle améliorée.

L'aérospatiale se concentre sur des matériaux avancés aux propriétés très spécifiques. Les systèmes impliquent généralement différents types de matériaux, allant de la céramique thermique à la fibre de carbone et au titane, qui sont utilisés à de multiples fins pour optimiser les performances.

La recherche dans ce domaine vise à développer des matériaux multifonctionnels, c'est-à-dire des matériaux qui ont non seulement des fonctions structurelles mais peuvent également offrir d'autres fonctionnalités comme le refroidissement actif. Pour donner vie aux concepts aérospatiaux avancés, les matériaux doivent être plus durables, plus légers et plus rentables que jamais. 

Alors que l'industrie aérospatiale continue de progresser, examinons les dernières innovations révolutionnaires qui la mèneront encore plus loin.

Dévoilement du « génome des matériaux » pour faire progresser la conception

Le mois dernier, des chercheurs de l'École d'ingénierie aérospatiale, mécanique et mécatronique de l'Université de Sydney ont découvert une méthode de microscopie permettant de découvrir les relations atomiques au sein de matériaux cristallins tels que les aciers avancés et le silicium personnalisé.

Cela signifie que les chercheurs peuvent détecter même des changements infimes dans l’architecture atomique de ces matériaux, améliorant ainsi notre compréhension des origines fondamentales de leurs propriétés et de leur comportement. Ces connaissances permettront le développement de semi-conducteurs avancés pour l’électronique et d’alliages plus légers et plus résistants pour le secteur aérospatial.

Pour cela, les chercheurs ont utilisé la tomographie par sonde atomique (APT), une technique qui visualise les atomes en trois dimensions (3D), pour comprendre la complexité de l'ordre à courte portée (SRO). Le SRO est une mesure quantitative de la tendance relative des éléments constitutifs d'un matériau à s'écarter d'une distribution aléatoire. Comprendre les environnements atomiques locaux est essentiel pour créer des matériaux innovants.

En quantifiant en détail le caractère non aléatoire des relations de voisinage à l’échelle atomique au sein du cristal, SRO ouvre « de vastes possibilités pour les matériaux conçus sur mesure, atome par atome, avec des arrangements de voisinage spécifiques pour obtenir les propriétés souhaitées comme la résistance. » ", a déclaré le responsable de l'étude, le professeur Simon Ringer, qui est vice-chancelier (infrastructure de recherche) à l'Université de Sydney.

Parfois appelé « génome matériel », le SRO a été un défi à mesurer et à quantifier. En effet, les arrangements atomiques se produisent à une si petite échelle que vous ne pouvez pas les voir avec les techniques de microscopie conventionnelles.

Ainsi, l’équipe de chercheurs a développé une nouvelle méthode utilisant l’APT qui surmonte ces défis, ce qui en fait « une avancée significative dans la science des matériaux », a déclaré Ringer, ingénieur en matériaux à l’AMME. 

L'étude s'est concentrée sur les alliages à haute entropie (HEA), un domaine très étudié en raison de leur potentiel d'utilisation dans des situations nécessitant une résistance à haute température, notamment les moteurs à réaction et les centrales électriques.

En utilisant des techniques avancées de science des données et en s'appuyant sur les données de l'APT, les chercheurs ont observé et mesuré le SRO. Ils ont ensuite pu comparer l’évolution du SRO dans un alliage à haute entropie de cobalt, de chrome et de nickel soumis à différents traitements thermiques.

Selon le Dr Andrew Breen, chercheur postdoctoral senior :

« (L’étude a produit une) analyse de sensibilité qui délimite l’éventail précis des circonstances dans lesquelles de telles mesures sont valides et dans lesquelles elles ne le sont pas. » 

En mesurant et en comprenant le SRO, cette étude pourrait également contribuer à transformer les approches de conception des matériaux et montrer comment « de petits changements au niveau de l'architecture au niveau atomique peuvent conduire à des pas de géant dans la performance des matériaux », a déclaré le Dr Mengwei He, chercheur postdoctoral à l'École de génie aérospatial, mécanique et mécatronique.

De plus, en fournissant un plan au niveau microscopique, l'étude améliore les capacités d'un chercheur à simuler, modéliser, puis prédire informatiquement le comportement des matériaux. Il peut en outre servir de modèle pour de futures études dans lesquelles SRO contrôle les propriétés critiques des matériaux. 

Un matériau révolutionnaire pour permettre le vol hypersonique

Il existe un grand intérêt pour réaliser un vol soutenu à des vitesses hypersoniques, mais des défis techniques demeurent. Il s’agit notamment de gérer la chaleur extrême, de développer des matériaux capables de résister aux contraintes, aux températures extrêmes et à l’oxydation sans compromettre les performances, et de créer des systèmes de propulsion capables de fonctionner efficacement à des vitesses et à des altitudes élevées. 

Alors que les chercheurs tentent de trouver des solutions à ces problèmes, des scientifiques de l'École de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Guangzhou ont signalé une percée dans les boucliers thermiques hypersoniques plus tôt cette année.

Dans ce qui pourrait changer la donne pour le vol hypersonique, les scientifiques ont développé un nouveau matériau, la céramique poreuse, qui offre une « stabilité thermique exceptionnelle » et une « résistance à la compression ultra élevée ». 

Cela a été réalisé grâce à une conception de structure à plusieurs échelles, ce qui, selon les scientifiques, est réalisé pour la toute première fois. De plus, la fabrication rapide de cette céramique à haute entropie ouvre la porte à une exploration plus large dans les secteurs de l’aérospatiale, du génie chimique ainsi que de la production et du transfert d’énergie.

Les chercheurs ont déclaré que les céramiques ont été fabriquées grâce à « une technique de synthèse ultrarapide à haute température

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