Les structures imprimées en 3D rétrécissent lorsqu'elles sont chauffées
Un métamatériau contre-intuitif peut conduire à la création de circuits électroniques résistants à la chaleur
Presque tous les matériaux solides, du caoutchouc et du verre au granit et à l'acier, se dilatent lorsqu'ils sont chauffés. Ce n'est que dans de très rares cas que certains matériaux vont à l'encontre du système et se contractent lorsqu'ils sont chauffés. Par exemple, l'eau froide est comprimée si elle est chauffée de 0 à 4 degrés Celsius, avant de commencer à se dilater.Les ingénieurs du MIT et de l'Université de Californie du Sud ont ajouté de nouveaux éléments à cette classe. Une équipe dirigée par Nicholas X. Fang, professeur agrégé de génie mécanique au MIT, a créé des structures en forme d'étoile constituées de poutres connectées, ou fermes. Ces structures de la taille d'un cube de sucre rétrécissent rapidement lorsqu'elles sont chauffées à 282 degrés Celsius.Les fermes sont constituées de matériaux conventionnels qui se dilatent lorsqu'ils sont chauffés. Fang et ses collègues ont réalisé que s'ils étaient combinés d'une manière spéciale, ils seraient capables de tirer la structure vers l'intérieur, la forçant à rétrécir comme un jouet sphère Goberman.Les chercheurs pensent que leur création appartient aux «métamatériaux» - des matériaux composites, dont la configuration a des propriétés étranges et souvent contre-intuitives, qui ne se trouvent généralement pas dans la nature.Dans certains cas, il peut ne pas être utile de comprimer ces structures elles-mêmes, mais leur résistance à l'expansion lors du chauffage. De tels matériaux peuvent être utilisés, par exemple, dans la fabrication de puces informatiques qui se déforment sous un chauffage prolongé.«Les cartes de circuits imprimés peuvent chauffer lorsque le CPU est en marche et le chauffage peut affecter leurs performances», explique Fang. "Par conséquent, [lors de la conception], il est nécessaire d'examiner attentivement cette propriété."Ingrédients pour l'impression
Au milieu des années 90, les scientifiques ont proposé des structures théoriquement possibles dont la structure peut leur conférer la propriété de «dilatation thermique négative» (NTE). Pour ce faire, il était nécessaire de créer des structures en treillis tridimensionnelles de deux matériaux avec des coefficients de dilatation différents lorsqu'ils sont chauffés. Lorsque toute la structure est chauffée, un matériau devrait se dilater plus rapidement et tirer l'autre vers l'intérieur, ce qui entraînera une diminution de la taille globale de la structure.«Les travaux théoriques ont expliqué comment de telles structures peuvent violer les limites habituelles de l'expansion thermique», explique Fang. - Mais à cette époque [les scientifiques] étaient limités par la technologie de création des choses. Et ici, nous avons vu une grande opportunité de microproduction démontrant ce concept. »Le laboratoire de Fang a développé une technologie d'impression 3D appelée micro stéréolithographie, qui utilise la lumière pour imprimer en couches de très petites structures en résine liquide.«Nous pouvons désormais utiliser le système de micro stéréolithographie pour créer des métamatériaux thermomécaniques qui rendront l'impossible impossible plus tôt», explique Spadachchini, directeur du Centre de développement et de production des matériaux. «Ils ont des propriétés thermomécaniques inaccessibles aux matériaux ordinaires.»«Nous pouvons fabriquer une imprimante à jet d'encre pour imprimer et traiter différents ingrédients de la même manière», explique Fang.Inspirés par la plate-forme théorique, Fang et ses collègues ont imprimé de petites structures en forme d'étoile en trois dimensions à partir de barres transversales interconnectées. Chacun d'eux est constitué soit d'un matériau solide à expansion lente contenant du cuivre, soit d'un polymère élastique à expansion rapide. Les barres transversales internes sont élastiques et les externes sont solides.«En positionnant correctement les composants de la grille, nous nous assurerons que même à chaque extension de la barre transversale, ils tirent la grille entière vers l'intérieur», explique Fang.«Nous travaillons avec la compensation de température», explique Wang. "Ces matériaux ont des coefficients de dilatation thermique différents, donc avec l'augmentation de la température, ils interagissent les uns avec les autres et tirent vers l'intérieur, de sorte que le volume total de la structure diminue."Espace d'expérimentation
Les chercheurs ont testé leurs structures composites en les plaçant dans une fiole en verre et en augmentant lentement sa température, de la température ambiante à 282 degrés. Il a été constaté qu'au début, la structure conserve sa forme, puis se plie progressivement vers l'intérieur et se contracte.«Il diminue de 0,6%», explique Fang. Cela ne semble pas être une telle réussite, mais Fang ajoute que "le fait de la compression lui-même est impressionnant". Pour la plupart des applications pratiques, selon Fang, les concepteurs préféreraient des structures qui ne se dilatent tout simplement pas lorsqu'elles sont chauffées.En plus de leurs expériences, les chercheurs ont créé un modèle informatique pour calculer l'interaction des barres transversales connectées, la distance entre elles et le degré d'expansion. La compression de la structure est contrôlée par deux paramètres principaux - la taille des barres transversales individuelles et leur rigidité relative, directement liées au taux de dilatation thermique.«Nous avons développé la méthode de réglage en disposant des composants individuels dans le modèle informatique avec une rigidité et une vitesse d'expansion différentes, et nous pouvons forcer une barre transversale particulière ou une partie de la structure à dévier ou à s'étendre selon nos besoins», explique Fang. "Il y a de la place pour l'expérimentation avec d'autres matériaux, tels que les nanotubes de carbone, qui sont plus légers et plus résistants." "Des résultats intéressants peuvent être obtenus en expérimentant dans des laboratoires avec différentes structures."Source: https://habr.com/ru/post/fr398571/
All Articles