En utilisant des techniques d'imagerie innovantes, les chercheurs ont montré que la complexité des fissures augmente la ténacité des matériaux, remettant en question les idées traditionnelles et suggérant de nouvelles approches en matière de conception et de test des matériaux. Crédit : Issues.fr.com
En capturant un rare aperçu de la formation de fissures tridimensionnelles dans des solides fragiles, des chercheurs de l'EPFL ont découvert que les fissures complexes nécessitent plus d'énergie pour avancer que les fissures simples ; une découverte qui pourrait améliorer les tests et le développement des matériaux.
La dernière fois que vous avez laissé tomber votre tasse préférée ou que vous vous êtes assis sur vos lunettes, vous avez peut-être été trop préoccupé pour prêter attention au motif complexe de fissures qui sont apparues dans l'objet cassé. Mais capturer la formation de tels modèles est la spécialité de John Kolinski et de son équipe du Laboratoire d'ingénierie mécanique des interfaces logicielles (EMSI) de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL. Ils visent à comprendre comment les fissures se propagent dans les solides fragiles, ce qui est essentiel pour développer et tester des matériaux composites sûrs et rentables destinés à être utilisés dans la construction, le sport et l'ingénierie aérospatiale.
Les scientifiques ont provoqué des fissures dans des échantillons d’hydrogel avec un couteau suisse standard. Crédit : EMSI EPFL CC BY SA
Comprendre la complexité des fissures 3D
Mais les approches mécaniques traditionnelles pour analyser la formation des fissures supposent que les fissures sont planes, c'est-à-dire qu'elles se forment sur la surface bidimensionnelle d'un matériau. En fait, les fissures planaires simples ne sont que la pointe de l’iceberg : la plupart des fissures – comme celles des solides cassants du quotidien comme le verre – se propagent dans des réseaux tridimensionnels de crêtes et d’autres éléments complexes.
En raison de l’opacité des matériaux et de la rapidité avec laquelle les fissures se forment, il est extrêmement difficile d’observer cette complexité en temps réel. Mais maintenant, armés d’un couteau suisse et d’un microscope confocal, Kolinski et son équipe sont parvenus à faire exactement cela – et ils ont découvert une corrélation positive entre la complexité des fissures et la ténacité des matériaux.
« L'énergie nécessaire pour provoquer des fissures a traditionnellement été considérée comme une propriété du matériau, mais nos travaux fournissent des informations uniques sur le rôle clé de la géométrie : à savoir qu'en augmentant la complexité des caractéristiques géométriques au fond de la fissure, un matériau peut être rendu efficacement plus résistant. , car il faut plus d’énergie de déformation pour faire avancer une fissure complexe qu’une simple », explique Kolinski. « Cela met en évidence une lacune importante dans la théorie actuelle des fissures 3D. »
Les résultats du laboratoire ont récemment été publiés dans Physique naturelle.
Un lien fondamental entre longueur et résistance
La méthode des chercheurs consistait à créer des tranches très fines de quatre hydrogels différents et d'un élastomère. Transparents et cassants, mais faciles à déformer et à mesurer sans se briser, les hydrogels ont servi d'indicateur pour comprendre comment les fissures se forment dans le verre et les plastiques cassants. L’élastomère était également un substitut à des matériaux comme le caoutchouc et les polymères de silicone.
Alors que les fissures expérimentales ont été observées avec un microscope confocal de pointe, elles ont été induites à l'aide d'un couteau suisse standard : l'action de cisaillement des ciseaux de l'appareil a naturellement produit des fissures géométriquement complexes dans les échantillons d'hydrogel. À l’aide d’un appareil personnalisé développé par l’équipe EMSI pour contrôler l’alignement et le chargement des échantillons, une série d’images fluorescentes a été générée avec le microscope confocal, puis empilée pour assembler une carte tridimensionnelle unique de chaque surface de fracture.
« Les gens savent depuis longtemps que les fissures peuvent devenir complexes en examinant les surfaces de fracture après coup, mais ce que l'on perd, c'est la compréhension des conditions de chargement au moment où la fissure est apparue, ou à quelles forces l'échantillon a été exposé », explique Kolinski. « Notre méthode d’imagerie innovante a permis de caractériser rigoureusement cette relation sur place.»
Un rendu de données de front de fissure 3D dans un hydrogel fragile enregistré avec un microscope confocal à fluorescence. Crédit : EMSI EPFL CC BY SA
Aperçus expérimentaux et implications
En un mot, ces expériences ont révélé que l’énergie de déformation requise pour provoquer les fissures de l’échantillon était directement proportionnelle à la longueur des pointes des fissures. Ceci suggère que la complexité géométrique accrue d’une fissure 3D génère davantage de surface de fracture à mesure que la fissure avance, nécessitant ainsi une énergie de déformation supplémentaire pour la conduire.
Dans une autre expérience, les chercheurs ont montré comment, à mesure qu'une fissure plus lisse s'approchait d'un obstacle rigide intégré dans l'échantillon, la symétrie planaire de la fissure était brisée, augmentant à la fois la longueur de l'extrémité de la fissure et l'énergie nécessaire pour faire avancer la fissure.
« Le fait que nous puissions isoler la manière dont la complexité géométrique émerge avec une telle inhomogénéité du matériau pourrait motiver de nouvelles approches de conception », explique Kolinski. « Nos travaux soulignent également l'importance d'être prudent dans la réalisation des tests de matériaux, car nous savons désormais que tout écart géométrique par rapport à un front de fissure plan peut conduire à une mauvaise mesure – et à une surestimation potentiellement dangereuse – de la ténacité du matériau. »
