Doubler la rigidité avec des architectures 3D métal-céramique

Le défi

Les composites traditionnels font face à un compromis fondamental : les matériaux peuvent être rigides ou tenaces, mais rarement les deux. Les composites aluminium renforcés de céramiques dispersées ont montré des résultats prometteurs, mais la malléabilité inhérente de l’aluminium limite leur utilisation dans les applications mécaniques exigeantes. Les ingénieurs concevant des composants structurels légers pour l’aérospatiale, l’automobile et les applications énergétiques ont besoin de matériaux combinant rigidité structurelle avec tolérance aux dommages et résistance aux impacts élevés.

La solution

Cette recherche a fabriqué de nouveaux composites métal/céramique à architecture 3D en utilisant la fabrication additive combinée à l’infiltration sous pression de gaz. L’innovation clé réside dans l’architecture topologique du renfort—l’intégration d’une structure Gyroïde périodique qui offre une flexibilité de conception sans précédent. La structure bi-continue permet à la phase métallique ductile d’être soutenue par l’armature céramique rigide, empêchant une déformation plastique excessive sous charges élevées tandis que l’interface ductile-fragile supprime l’initiation des fissures et empêche leur propagation.

Les essais par excitation impulsionnelle ont permis la caractérisation non destructive du module d’élasticité effectif à travers ces architectures 3D complexes, vérifiant comment les choix de conception architecturale se traduisent en amélioration de la rigidité et corrélant les paramètres géométriques avec les performances mécaniques.

Résultats

L’approche architecturale 3D a apporté des améliorations remarquables : une résistance à la compression 4,6 fois supérieure à celle de la matrice seule, une capacité portante doublée et une réduction de 50% de la déformation résiduelle lors des charges cycliques. Le mode de rupture est passé de catastrophique à localisé et maîtrisable. Cette avancée démontre qu’une conception structurelle délibérée à l’échelle méso peut surmonter le compromis traditionnel rigidité-ténacité dans les matériaux structurels.