Une étude récemment publiée par l'Université Rice montre quegraphèneest 10 fois meilleur que l’acier pour absorber l’énergie d’un projectile pénétrant.
La grande résistance du graphène semble être déterminée par la façon dont il s'étire avant de se briser, selon des scientifiques de l'Université Rice qui ont testé les propriétés du matériau en le parsemant de microballes.
On pense que le nid d’abeilles en carbone bidimensionnel découvert il y a dix ans est beaucoup plus résistant que l’acier. Mais le laboratoire Rice du scientifique des matériaux Edwin « Ned » Thomas n'a pas eu besoin de près d'un kilo de graphène pour prouver que le matériau est en moyenne 10 fois meilleur que l'acier pour dissiper l'énergie cinétique.
Les chercheurs rapportent dans la dernière édition de la revueScienceque le tir de projectiles microscopiques sur des feuilles multicouches de graphène a permis aux scientifiques de déterminer à quel point il est difficile de pénétrer au niveau nanométrique – et quelle pourrait être la force du graphène dans des applications macroscopiques.
Thomas a suggéré que la technique développée par lui et son groupe de recherche pourrait aider à mesurer la résistance d'un large éventail de matériaux.
Alors que d'autres laboratoires ont étudié de manière approfondie les propriétés électroniques et la résistance à la traction du graphène, personne n'avait pris de mesures complètes de sa capacité à absorber un impact, a déclaré Thomas. Son laboratoire a découvert que la capacité du graphène à être à la fois rigide, solide et élastique lui confère un potentiel extraordinaire pour une utilisation comme gilet pare-balles ou pour protéger les engins spatiaux.
Le laboratoire a été le pionnier de son test d'impact de projectile induit par laser (LIPIT), qui utilise l'énergie d'un laser pour éloigner les microballes du côté opposé d'une surface absorbante en or à grande vitesse. En 2012, ils ont utilisé pour la première fois une version antérieure de LIPIT pour déterminer les propriétés de copolymères multiblocs qui pourraient non seulement arrêter les microballes, mais aussi les envelopper complètement.
Depuis cette étude, Thomas et l'auteur principal Jae-Hwang Lee, ancien chercheur scientifique à Rice et maintenant professeur adjoint à l'Université du Massachusetts à Amherst, ont amélioré leur technique pour tirer des sphères microscopiques uniques avec une grande précision à des vitesses approchant les 3 kilomètres (1,9 miles) par seconde, beaucoup plus rapides qu'une balle rapide d'un AK-47.
Les chercheurs ont construit une scène personnalisée pour aligner des feuilles de graphène multicouches tirées mécaniquement à partir de graphite en vrac. Ils ont testé des feuilles allant de 10 à 100 nanomètres d’épaisseur (jusqu’à 300 couches de graphène). Ils ont ensuite utilisé une caméra à grande vitesse pour capturer des images des projectiles avant et après les impacts afin de juger de leur vitesse et ont visualisé des images au microscope des dommages causés aux tôles.
Dans tous les cas, les sphères de 3,7 microns ont percé le graphène. Mais plutôt qu’un trou net, les sphères ont laissé un motif fracturé de « pétales » autour du point d’impact, indiquant que le graphène s’est étiré avant de se briser.
"Nous avons commencé à rédiger un article sur les pétales, mais au fur et à mesure, il est devenu évident que ce n'était pas vraiment l'histoire", a déclaré Thomas, doyen de William et Stephanie Sick de la George R. Brown School of Engineering de Rice. "L'énergie cinétique de la balle interagit avec le graphène, pousse vers l'avant, étire le film et ralentit."
Les expériences ont révélé que le graphène est une membrane extensible qui, environ 3 nanosecondes avant la perforation, répartit la contrainte de la balle sur une large zone définie par un cône peu profond centré au point d'impact. La contrainte de traction ne peut pas se déplacer plus vite que la vitesse du son dans les matériaux, et dans le graphène, elle est beaucoup plus rapide que la vitesse du son dans l'air (1 125 pieds par seconde).
"Pour le graphène, nous avons calculé la vitesse à 22,2 kilomètres (13,8 miles) par seconde, ce qui est plus élevé que tout autre matériau connu", a déclaré Thomas.
Lorsqu’une microballe impacte le graphène, le diamètre du cône qu’elle crée – déterminé par un examen ultérieur des pétales – permet de mesurer la quantité d’énergie que le graphène absorbe avant de se briser.
"Le jeu en protection consiste à répartir le stress sur une vaste zone", a déclaré Thomas. "C'est une course. Si le cône peut sortir à une vitesse appréciable par rapport à la vitesse du projectile, la contrainte n'est pas localisée sous le projectile."
La superposition contrôlée de feuilles de graphène pourrait conduire à des matériaux légers et absorbant l'énergie. "Idéalement, vous auriez beaucoup de couches indépendantes qui ne sont pas trop éloignées les unes des autres ni si proches qu'elles se touchent, car la charge va de la traction à la compression", a déclaré Thomas. Cela, a-t-il dit, irait à l’encontre de l’objectif consistant à éloigner la tension du point d’impact.
Il espère que le LIPIT sera utilisé pour tester de nombreux matériaux expérimentaux. « Avant de développer un projet, vous devez savoir ce qui fonctionnera », a-t-il déclaré. « LIPIT nous permet de développer des méthodologies rapides pour testerà l'échelle nanométriquematériaux et trouver des candidats prometteurs. Nous travaillons à démontrer àNASAet les militaires que ces tests microscopiques sont pertinents pour les propriétés macroscopiques.
Référence : « Comportement mécanique dynamique du graphène multicouche via la pénétration d'un projectile supersonique » par Jae-Hwang Lee, Phillip E. Loya, Jun Lou et Edwin L. Thomas, 28 novembre 2014,Science.
DOI : 10.1126/science.1258544
Les co-auteurs de l'article sont Phillip Loya, étudiant diplômé de Rice, et Jun Lou, professeur agrégé de science des matériaux et de nano-ingénierie. La Defense Threat Reduction Agency et la Welch Foundation ont soutenu la recherche.
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