vendredi 14 février 2014

Affaiblir le verre pour le rendre plus résistant

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En s’inspirant de la structure microscopique de la nacre et de l’émail, des chercheurs ont augmenté la résistance du verre en gravant des réseaux de microfissures qui créent des frottements et dissipent l’énergie d’une contrainte mécanique.

Comment rendre le verre plus résistant ? En y gravant des micro-fissures, qui dissipent l’énergie des contraintes mécaniques.
On ne compte plus les innovations technologiques inspirée de la Nature (voir ici et). Dernier exemple en date, l’émail des dents et de la nacre ont inspiré à François Barthelat et son équipe de l’Université McGill, à Montréal, une technique pour renforcer la résistance de matériaux tels que le verre ou la céramique. La stratégie, contre-intuitive, consiste à créer un réseau complexe de microfissures au sein du verre pour le rendre plus solide.
L’émail des dents et la nacre produite par les mollusques sont formés à 95 pour cent de minéraux et devraient donc être friables et cassants. Pourtant, ils résistent à des chocs répétés, et s’ils sont endommagés, la propagation des fractures y est limitée. C’est leur structure microscopique qui assure à ces matériaux de telles propriétés. L’émail est constitué de longues tiges perpendiculaires à la surface, imbriquées les unes à côté des autres et liées par des polymères. En profondeur, ces tiges sont entremêlées. Ainsi, une contrainte mécanique qui engendre une fissure dans l’émail voit son énergie rapidement dissipée quand elle se propage à la surface, car la fissure doit passer entre les tiges imbriquées. De même en profondeur, en raison de l’enchevêtrement des tiges. La nacre est pour sa part formée de petits éléments plats accolés les uns aux autres et sur plusieurs couches.

La conclusion de ces observations est qu’un matériau monolithique est moins résistant qu’un matériau qui contient des interfaces plus fragiles qui guident les fissures vers des configurations qui les bloquent. L’arrangement de ces interfaces joue sur la solidité du matériau. F. Barthelat et ses collègues ont appliqué ce principe au verre. Ils ont utilisé une technique de microgravure en trois dimensions par laser pour créer des microdéfauts dans le verre. Dans cette technique, la gravure ne se fait pas en surface, mais en profondeur, là où l’énergie du laser est focalisée. Le verre fond et se dilate au point de focalisation – et seulement là – créant une microfissure dont la taille est ajustable avec la puissance du laser.

Dans une première expérience, les chercheurs ont créé une fissure importante sur la tranche d’une lame de verre d’un centimètre d’épaisseur, et ont examiné l’effet de microfissures gravées à la pointe de la fissure principale lorsqu’une force est exercée sur les lèvres de la fissure pour l’agrandir. Les chercheurs ont montré qu’un réseau de microfissures peut créer des interfaces fragilisées au sein du verreLa fissure se propage alors de microfissure en microfissure.
L’idée de François Barthelat et ses collègues a été de créer une interface fragilisée pour guider la fissure dans un réseau qui dissipe son énergie mécanique en augmentant les frottements. Cette interface est formée de microfissures qui dessinent des motifs semblables aux attaches des pièces de puzzle (voir-ci-contre). Résultat, la fissure engendrée par la contrainte mécanique suit les microfissures ; les bords de celles-ci s’écartent alors légèrement, ce qui, de par leur forme, crée des forces de frottement qui dissipent l’énergie mécanique. La résistance du matériau est ainsi augmentée. Par ailleurs, l’introduction de polyuréthane dans les microfissures, en formant des filaments entre les parois qui s’opposent à l’écartement, augmente d’autant la résistance à la propagation de la fissure.
Le résultat est au final un verre 200 fois plus résistant que le verre ordinaire !
Sean Bailly
http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actu-affaiblir-le-verre-pour-le-rendre-plus-resistant-32582.php

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