Proteus, le nom donné à ce nouveau matériau léger, peut retourner la force d’un outil de coupe sur lui-même. Crédit: Université de Durham

Les ingénieurs se sont inspirés des coquilles et des pamplemousses pour créer ce qu’ils disent être le premier matériau non coupable fabriqué.

Ce nouveau matériau, qui pourrait être utilisé dans les industries de la sécurité et de la santé et de la sécurité, peut retourner la force d’un outil de coupe sur lui-même.

Le matériau léger – nommé Proteus d’après le dieu mythique qui change de forme – est composé de sphères en céramique encastrées dans une structure en aluminium cellulaire qui, lors des tests, ne pouvait pas être coupée par des meuleuses d’angle, des perceuses ou des jets d’eau à haute pression.

Une équipe de recherche internationale, dirigée par l’Université de Durham, au Royaume-Uni, et le Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU à Chemnitz en Allemagne, a eu l’idée du nouveau matériau issu de la peau cellulaire dure du pamplemousse et des coquilles résistantes à la fracture des mollusques. .

Les créatures marines en ormeau sont construites à partir de tuiles liées à un matériau biopolymère qui les rend résistantes aux fractures. Pour résister aux outils d’entrée par effraction les plus violents, des matériaux organiques tels que les carreaux d’aragonite – trouvés dans les coquilles de mollusques – ont été remplacés dans le nouveau matériau par des céramiques industrielles, de l’alumine et une matrice de mousse métallique en aluminium.

Le nouveau matériau est solide, léger et non coupable. Les chercheurs disent qu’il pourrait être utilisé pour fabriquer des antivols de vélo, des armures légères et des équipements de protection pour les personnes qui travaillent avec des outils de coupe.

Les résultats sont publiés dans la revue Rapports scientifiques. Le nouveau système de matériaux est dynamique avec une structure interne évolutive qui crée un mouvement à grande vitesse où il interagit avec les outils de coupe. La réponse dynamique s’apparente davantage aux structures vivantes.

Le matériau est constitué d’une structure en aluminium cellulaire enroulée autour de sphères en céramique et cela a un effet doublement destructeur sur les outils de coupe. Lors d’une coupe avec une meuleuse d’angle ou une perceuse, les vibrations créées par les sphères en céramique à l’intérieur du boîtier émoussent le disque de coupe ou le foret.

L’interaction entre le disque et la sphère en céramique crée une connexion vibratoire imbriquée qui résiste indéfiniment à l’outil de coupe.

La lame est progressivement érodée, et finalement rendue inefficace lorsque la force et l’énergie du disque ou de la perceuse sont retournées sur elle-même, et elle est affaiblie et détruite par sa propre attaque.

De plus, la céramique se fragmente en fines particules, qui remplissent la structure cellulaire du matériau et durcissent à mesure que la vitesse de l’outil de coupe augmente en raison des forces interatomiques entre les grains de céramique. De cette manière, la nature adaptative du matériau repousse en outre toute attaque.

Les jets d’eau se sont également avérés inefficaces parce que les surfaces courbes des sphères en céramique élargissent le jet, ce qui réduit sensiblement sa vitesse et affaiblit sa capacité de coupe.

L’auteur principal, le Dr Stefan Szyniszewski, professeur adjoint de mécanique appliquée, au département d’ingénierie de l’Université de Durham, a déclaré: «Nous avons été intrigués par la façon dont la structure cellulaire du pamplemousse et la structure carrelée des coquilles de mollusque peuvent empêcher d’endommager les fruits ou les créatures à l’intérieur, bien qu’elles soient constituées de blocs de construction organiques relativement faibles.

«Ces structures naturelles ont informé le principe de fonctionnement de notre matériau métallo-céramique, qui est basé sur une interaction dynamique avec la charge appliquée, contrairement à la résistance passive.

«Essentiellement, couper notre matériau, c’est comme couper à travers une gelée remplie de pépites. Si vous passez à travers la gelée, vous frappez les pépites et le matériau vibre de telle sorte qu’il détruit le disque de coupe ou le foret.

«Les céramiques intégrées dans ce matériau flexible sont également constituées de particules très fines qui rigidifient et résistent à la meuleuse d’angle ou à la perceuse lorsque vous coupez à grande vitesse, de la même manière qu’un sac de sable résiste et arrête une balle à grande vitesse.

«Ce matériau pourrait avoir de nombreuses applications utiles et intéressantes dans les industries de la sécurité et de la sûreté. En fait, nous n’avons connaissance d’aucun autre matériau non coupable fabriqué à ce jour. »

La co-auteure de l’étude, le Dr Miranda Anderson, Département de philosophie, Université de Stirling, a déclaré: «Parce que la résistance réussie de notre système matériel nécessite qu’il subisse des transformations internes, nous avons choisi le nom Proteus.

«En 1605, Francis Bacon a comparé les matériaux naturels à Proteus qui a« jamais changé de forme »et il a soutenu que grâce à l’expérimentation, nous pouvons révéler les qualités métamorphiques des matériaux.

Le Dr Szyniszewski a ajouté: «C’est ce que nous avons réalisé avec ce nouveau matériau et nous sommes enthousiasmés par son potentiel.»

Les chercheurs ont un brevet en instance pour leur technologie matérielle et ils espèrent travailler avec des partenaires de l’industrie afin qu’elle puisse être développée en produits pour le marché.

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Référence: «Matériau non coupable créé par des effets de résonance locale et de vitesse de déformation» par Stefan Szyniszewski, Rene Vogel, Florian Bittner, Ewa Jakubczyk, Miranda Anderson, Manuel Pelacci, Ajoku Chinedu, Hans-Josef Endres et Thomas Hipke, 20 juillet 2020, Rapports scientifiques.
DOI: 10.1038 / s41598-020-65976-0

La recherche a été menée par l’Université de Durham en collaboration avec l’Institut Fraunhofer pour les machines-outils et la technologie de formage IWU, l’Institut Fraunhofer pour la recherche sur le bois, le Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, Hanovre et l’Université Leibniz de Hanovre, l’Institut des plastiques et de l’économie circulaire IKK, Allemagne, et l’Université de Surrey et l’Université de Stirling, Royaume-Uni.

L’étude a été financée par le Home Office du Royaume-Uni, le Conseil de recherche en ingénierie et sciences physiques et une subvention d’intégration de carrière de la Commission européenne.