Des ingénieurs australiens ont créé un matériau en titane à la fois solide et léger qui flotte dans l’eau, même après des dommages sévères, révélant un nouveau matériau prometteur pour les infrastructures marines.
Des recherches menées par l’Université RMIT montrent que ce treillis de titane imprimé en 3D – composé de montants creux et interconnectés remplis de mousse – flotte non seulement, mais résiste également à l’exposition à l’eau de mer et se révèle plus solide que l’acier inoxydable ou le plastique haute densité actuellement utilisés dans les jetées, les bouées et les capteurs flottants.
Le chercheur principal du Centre de fabrication additive de RMIT, le Dr Jordan Noronha, a expliqué que leur dernière création avait surmonté un défi fondamental pour faire flotter les structures métalliques en treillis.
« Bien que les treillis métalliques puissent être incroyablement légers – avec des densités inférieures au dixième de la densité de l’eau – leurs espaces ouverts et interconnectés laissent entrer l’eau, ce qui les fait couler », a déclaré Noronha.
« Cela a rendu ces structures solides et légères inadaptées aux infrastructures marines – jusqu’à présent. »
« En remplissant uniquement les montants creux de titane avec de la mousse de polyuréthane, nous avons créé une structure qui laisse l’eau la traverser tout en restant flottante, même après des fissures et des dommages importants. »
L’étude constitue la première démonstration rapportée d’un métamatériau hybride en treillis métallique flottant, tandis que sa flottabilité durable a été validée par des échantillons ayant flotté en eau douce pendant plus de deux mois.
Repenser la densité
Pour réaliser cette avancée, les chercheurs ont développé une nouvelle mesure, appelée densité squelettique, afin de prédire si les structures ouvertes flotteront.
Les calculs de densité conventionnels incluent tout l’espace ouvert au sein d’une structure en treillis, alors que l’eau peut occuper cet espace, qui ne contribue donc pas à la flottabilité.
La densité squelettique ne prend en compte que les parties de la structure qui excluent l’eau : les parois de titane et les canaux scellés remplis de mousse.
« Cela offre aux ingénieurs une règle de conception simple : si la densité squelettique est inférieure à celle du liquide environnant, la structure flottera – même lorsque l’eau s’écoule à travers toutes ses ouvertures externes. », a souligné Noronha.
Solide, léger et résilient
Les tests ont montré que la structure en titane de l’équipe était 70 % plus solide que l’acier inoxydable ou le polyéthylène haute densité largement utilisés dans les applications marines, à densité globale égale.
Elle a également obtenu de bons résultats lors de tests de corrosion à court terme menés avec de l’eau de mer naturelle de la baie de Port Phillip à Melbourne : après deux semaines d’immersion, le treillis n’a perdu que 0,15 % de sa masse, tandis que sa résistance a diminué de moins de 1 %.
Fait important, a révélé Noronha, le treillis hybride est resté flottant même après des dommages importants, notamment des fissures, des défaillances aux points de connexion clés et la rupture d’une couche entière de treillis.
Il n’a coulé qu’après avoir été sévèrement écrasé et compacté, mettant en évidence son potentiel à maintenir sa flottabilité malgré des dommages structurels majeurs.
« De minuscules cellules scellées dans la mousse piègent le gaz et empêchent l’eau d’inonder les montants creux. », a expliqué Noronha.
« De cette manière, la mousse agit comme une barrière distribuée qui aide la structure à rester à flot après des dommages – contrairement aux structures marines creuses conventionnelles, qui peuvent se remplir rapidement d’eau après fissuration. »
Une bouée prototype réussit le test en eau de mer
L’équipe a démontré la technologie avec une bouée marine imprimée en 3D qui est restée stable dans un bac à eau de mer turbulente incliné jusqu’à 45 degrés, sans nécessiter de boîtier scellé, de revêtement protecteur ni de flottaison supplémentaire.
Le chef de projet, le professeur émérite Ma Qian, a indiqué que les prochaines étapes comprenaient l’agrandissement des pièces de démonstration et le test des performances à long terme dans des conditions marines et en eaux profondes réalistes.
Il a précisé que la structure était également hautement personnalisable et que le groupe était ouvert à l’exploration d’une gamme d’autres applications au-delà des infrastructures marines.
« En changeant le matériau à l’intérieur de la structure en titane, nous pourrions adapter une structure similaire pour l’absorption d’énergie, la gestion thermique, le contrôle des vibrations et d’autres applications. », a-t-il dit.
Article : Breaking the surface: buoyant metal–polymer open–cell hybrid lattice metamaterials – Journal : Advanced Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : RMIT
