Un nouveau matériau léger à base de nanotubes absorbe mieux les chocs que le Kevlar

2 MARS 2022  anguille sous roche

Le matériau des nanotubes a mieux absorbé les impacts que le Kevlar.

Une illustration des nanotubes de carbone.

Alors que les matériaux pare-balles prouvent une fois de plus leur importance sur le champ de bataille dans la bataille en cours entre l’Ukraine et la Russie, un groupe de scientifiques a forgé un matériau composé de nanotubes, qui surpasse le Kevlar et l’acier grâce à ses propriétés chimiques uniques.

Lorsqu’ils travaillent sur des matériaux à l’épreuve des balles, les chercheurs considèrent le poids du matériau comme un sujet essentiel pour que les unités blindées restent mobiles tout en étant sûres.

Une équipe d’ingénieurs de l’Université du Wisconsin-Madison a forgé un nouveau matériau de blindage ultraléger appelé « matelas de nanofibres ».

La nouvelle forme est basée sur de minuscules cylindres de carbone qui ont l’épaisseur d’un seul atome. Ce nouveau matériau, appelé nanotube de carbone, s’est révélé prometteur en tant que matériau de nouvelle génération dans divers domaines, comme la lutte contre le changement climatique ou le sauvetage de vies.

Comment le tapis de nanofibres est fabriqué

Les auteurs de l’étude ont utilisé des nanotubes de carbone multiparois et les ont combinés avec des nanofibres de Kevlar pour créer un nouveau matériau à l’épreuve des balles. Les nanotubes de carbone ont été utilisés dans l’étude car ils ont démontré des propriétés d’absorption des impacts dans des recherches antérieures.

« Les matériaux nanofibreux sont très intéressants pour les applications de protection, car les fibres à l’échelle nanométrique présentent une résistance, une ténacité et une rigidité exceptionnelles par rapport aux fibres à l’échelle macroscopique », explique Ramathasan Thevamaran, professeur adjoint d’ingénierie physique à l’UW-Madison, qui a dirigé les recherches. « Les tapis de nanotubes de carbone ont montré la meilleure absorption d’énergie jusqu’à présent, et nous voulions voir si nous pouvions encore améliorer leurs performances. »

Après avoir découvert les propriétés d’absorption des nanotubes de carbone, l’équipe de scientifiques s’est tournée vers la chimie. En incorporant le bon ratio de nanofibres de Kevlar et de « tapis de nanofibres »constitués de nanotubes de carbone, ils ont réussi à produire des liaisons hydrogène entre les fibres, ce qui a entraîné un bond spectaculaire des performances.

« La liaison hydrogène est une liaison dynamique, ce qui signifie qu’elle peut continuellement se briser et se reformer, ce qui lui permet de dissiper une grande quantité d’énergie par ce processus dynamique », a déclaré Thevamaran. « En outre, les liaisons hydrogène confèrent davantage de rigidité à cette interaction, ce qui renforce et rigidifie le tapis de nanofibres. Lorsque nous avons modifié les interactions interfaciales dans nos matelas en ajoutant des nanofibres de Kevlar, nous avons pu obtenir une amélioration de près de 100 % des performances de dissipation d’énergie à certaines vitesses d’impact supersoniques. »

Le nouveau matériau a été testé à l’aide d’un système de test d’impact de microprojectiles, qui lance des micro-bullets à des vitesses variables sur des matériaux. Les résultats des tests ont montré que le nouveau matériau protège mieux des impacts à grande vitesse que le Kevlar ou les plaques d’acier.

Les chercheurs estiment que ce matériau pourrait permettre aux engins spatiaux d’absorber les impacts de débris spatiaux à grande vitesse.

Source : American Chemical Society

L’obtention de performances dynamiques extrêmes dans les matériaux nanofibreux nécessite une exploitation synergique des propriétés intrinsèques des nanofibres et des interactions inter-fibres. Indépendamment de la rigidité et de la résistance intrinsèques supérieures des nanotubes de carbone (NTC), la nature faible des interactions de van der Waals limite les performances des tapis de NTC. Nous présentons une approche efficace pour augmenter les interactions inter-fibres en introduisant des liens de nanofibres d’aramide (ANF) entre les CNT, ce qui forme des liaisons hydrogène interfaciales et des interactions d’empilement π-π plus fortes et reconfigurables, conduisant à une amélioration synergique des performances avec un retardement de la défaillance. Lors d’impacts supersoniques, les interactions renforcées dans les tapis de NTC améliorent leur absorption d’énergie spécifique jusqu’à 3,6 MJ/kg, ce qui surpasse les matériaux de protection à base de fibres de Kevlar largement utilisés. Les échelles de temps de réponse distinctes de la rupture et de la reformation des liaisons hydrogène lors de déformations à taux de déformation très élevé (∼10⁷-10⁸ s^-1) manifestent en outre une amélioration des performances dynamiques en fonction du taux de déformation. Nos résultats montrent le potentiel des tapis de nanofibres augmentés de liaisons dynamiques interfaciales─comme les liaisons hydrogène─comme matériaux structurels de faible densité avec des propriétés spécifiques supérieures et une stabilité à haute température pour des applications d’ingénierie extrêmes.

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche