De nouvelles recherches montrent que la mousse métallique composite (CMF) est incroyablement résistante aux températures élevées, capable de supporter des charges lourdes répétées même à des températures comprises entre 400 et 600 degrés Celsius. Associée au rapport résistance/poids élevé du matériau, cette découverte suggère que la CMF pourrait être utilisée dans des applications allant des moteurs automobiles aux composants aérospatiaux en passant par les technologies nucléaires.
« La CMF possède de nombreuses propriétés intéressantes, qui la rendent attrayante pour un large éventail d’applications », indique Afsaneh Rabiei, auteur correspondant d’un article sur ces travaux et professeur de génie mécanique et aérospatial à l’université d’État de Caroline du Nord. « Mais si vous souhaitez utiliser un matériau dans des moteurs, des pièces d’avion ou toute autre application impliquant des charges répétées et des températures élevées, vous devez connaître les performances de ce matériau.
C’est important pour toute application, mais particulièrement lorsque la défaillance d’un équipement peut avoir des conséquences sur la santé et la sécurité publiques, comme c’est le cas pour les aubes, les conduits et les volets d’échappement des moteurs à réaction, les aubes de turbine, les cellules des véhicules hypersoniques et les bords de fuite chauds des ailes, les turbines à gaz et à vapeur, les composants des systèmes de freinage automobile et les pièces des moteurs à combustion interne, les gaines de combustible des réacteurs nucléaires et de nombreuses autres structures utilisées dans des conditions extrêmes de chaleur et de charge. »
Les CMF sont des mousses composées de sphères creuses, fabriquées à partir de matériaux tels que l’acier inoxydable, le nickel ou d’autres métaux et alliages, intégrées dans une matrice métallique. Le matériau obtenu est à la fois léger et remarquablement résistant à l’absorption des forces de compression, avec des applications potentielles allant des ailes d’avion aux blindages de véhicules et aux gilets pare-balles.
De plus, le CMF offre une meilleure isolation contre la chaleur intense que les métaux et alliages conventionnels, tels que l’acier. Grâce à sa légèreté, sa résistance et son isolation thermique, le CMF est également prometteur pour le stockage et le transport de matières nucléaires, de matières dangereuses, d’explosifs et d’autres matériaux sensibles à la chaleur.
Afin de déterminer les performances du CMF sous des contraintes répétées à haute température, les chercheurs ont collaboré avec le Constructed Facilities Laboratory de l’université NC State, qui est conçu pour tester des matériaux et des structures dans des conditions extrêmes.
Pour cette étude, les chercheurs ont travaillé avec des CMF composés de sphères d’acier dans une matrice d’acier. Les échantillons de CMF ont été soumis à un cycle répété de chargement tout en étant exposés à des températures de 23 °C (73 °F), 400 °C (752 °F) et 600 °C (1112 °F).
À 400 °C, le CMF a résisté à un cycle de chargement alternant entre 6 et 60 mégapascals (ou entre 870 et 8702 unités de livre-force par pouce carré) pendant plus de 1,3 million de cycles sans défaillance avant que les chercheurs n’interrompent le test en raison de contraintes de temps.
À 600 °C, le CMF a résisté à un cycle de charge alternant entre 4,6 et 46 mégapascals (ou entre 667 et 6671 unités de livre-force par pouce carré) pendant plus de 1,2 million de cycles sans défaillance avant que les chercheurs n’interrompent le test en raison de contraintes de temps.
« Sachant que dans un environnement de fatigue compression-compression, la durée de vie en fatigue de l’acier inoxydable massif diminue considérablement lorsque la température passe de la température ambiante à 400 °C et 600 °C, ces résultats sont remarquables », ajoute M. Rabiei. « Nos conclusions indiquent que la durée de vie en fatigue du CMF acier-acier n’est pas réduite et que ce matériau léger offre d’excellentes performances dans l’environnement extrême des charges cycliques à haute température.
Cette découverte est passionnante, et nous sommes ouverts à toute collaboration avec des partenaires industriels qui souhaiteraient explorer les applications potentielles du CMF. Ce travail a été réalisé dans le but de développer un matériau pouvant être utilisé pour améliorer la sécurité et l’efficacité du transport de matières dangereuses, ce qui constitue une application potentielle. Mais ces résultats sont également pertinents pour toute application dans laquelle des équipements peuvent être exposés à des charges et des températures élevées. »
L’article intitulé « Performance of Composite Metal Foams Under Cyclic Loading at Elevated Temperatures » (Performances des mousses métalliques composites sous des charges cycliques à des températures élevées) est publié en libre accès dans le Journal of Materials Science. Le premier auteur de l’article est Zubin Chacko, récemment diplômé d’un doctorat de l’université d’État de Caroline du Nord. L’article a été co-écrit par Gregory Lucier, professeur de recherche à l’université d’État de Caroline du Nord et directeur du Constructed Facilities Laboratory. DOI : 10.1007/s10853-025-11516-y
Rabiei est l’inventrice des mousses métalliques composites. Elle a cédé la propriété intellectuelle correspondante à une petite entreprise dont elle est actionnaire.
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