Des chercheurs de l’Université de Virginie et de l’Université d’État de l’Arizona, financés par le Département américain de la Défense, étudient les minéraux et les roches pour déterminer leur potentiel dans la création des matériaux les plus durables et les plus résistants à la chaleur. Crédit : Issues.fr.com
Un projet de recherche collaboratif financé par le ministère américain de la Défense explore l’utilisation de minéraux et de roches naturels pour développer des matériaux révolutionnaires résistants à la chaleur, en mettant l’accent sur la durabilité et l’utilisation efficace des éléments des terres rares.
Les matériaux les plus durables et les plus résistants à la chaleur jamais fabriqués pourraient se cacher à la vue de tous.
Le ministère américain de la Défense veut savoir si les minéraux et les roches trouvés sur Terre et dans l’espace détiennent les secrets des matériaux à haute température de nouvelle génération. Pour le savoir, le DOD a accordé 6,25 millions de dollars dans le cadre de son Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire, ou MURI, à une équipe de l’Université de Virginie et de l’Université d’État de l’Arizona. Le groupe est dirigé par Elizabeth J. Opila de l’UVA, professeure Rolls-Royce Commonwealth et directrice du Département de science et d’ingénierie des matériaux.
Le MURI, très compétitif, finance la recherche scientifique fondamentale qui, espère le DOD, mènera à des percées dans ses domaines d’intérêt grâce aux connaissances collectives de plusieurs disciplines.
Lire les rochers
« C’est une période de boom pour les matériaux à haute température en raison des besoins en matière de production d’énergie, d’hypersonique et de nouvelles choses comme la fabrication additive qui arrivent dans ce domaine », a déclaré Opila. « Les gens explorent de nouveaux espaces de composition dans lesquels vous mélangez différents éléments de différentes manières. En plus de cela, nous réfléchissons à ces matériaux d’inspiration géologique et planétaire, ce qui est très amusant.
Les minéraux et les roches sont complexes par rapport aux composés avec lesquels les scientifiques travaillent habituellement, a déclaré Opila, et c’est pourquoi le potentiel du projet est passionnant.
Le chercheur postdoctoral Sandamal Witharamage (à droite) fait partie de l’équipe du professeur Elizabeth J. Opila développant de nouveaux matériaux à haute température d’inspiration planétaire et géologique dans le cadre d’une subvention de l’Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire du ministère de la Défense. Crédit : École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie
« Les géologues se concentrent vraiment sur la façon dont la Terre s’est formée et sur où pouvons-nous trouver ces différentes substances », a déclaré Opila. « Nous voulons exploiter ces connaissances et les intégrer dans l’espace applicatif. »
En sélectionnant des propriétés physiques spécifiques, les chercheurs copieront l’utilisation par Mère Nature des compositions minérales, de la température, de la pression et des changements rapides de ces forces pour fabriquer leurs matériaux synthétiques. L’objectif est d’élargir considérablement et de documenter pour d’autres les moyens et les ingrédients à partir desquels les matériaux à haute température peuvent être traités pour surpasser tout ce qui a encore été imaginé par l’homme ou la nature.
À la recherche de matériaux réfractaires
Répondant au besoin de matériaux réfractaires toujours meilleurs – ceux qui résistent à l’affaiblissement, à la fusion ou à la décomposition sous une chaleur intense ou dans des conditions corrosives, le Bureau de recherche de l’armée a lancé un appel à propositions sur les comportements réfractaires émergents dans les matériaux terrestres et extraterrestres. Entre autres objectifs, l’équipe d’Opila concevra, fabriquera, testera et décrira une foule de nouveaux matériaux destinés à surpasser les céramiques, alliages et revêtements actuels utilisés dans des environnements extrêmement chauds – par exemple, une température de 3 000 degrés. Fahrenheit moteur d’avion.
Opila est une ancienne NASA scientifique et innovateur dans le domaine des matériaux résistants à la chaleur et à la corrosion. Ses collaborateurs sont des experts en géologie, en modélisation informatique et en science des matériaux de l’École d’ingénierie et des sciences appliquées de l’UVA et des écoles d’ingénierie de la matière, des transports et de l’énergie de l’ASU ; Sciences moléculaires ; et l’exploration de la Terre et de l’espace.
Les co-chercheurs principaux d’Opila du département d’ingénierie d’UVA sont Patrick E. Hopkins, professeur d’ingénierie Whitney Stone en génie mécanique et aérospatial, et professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux Bi-Cheng Zhou.
Le laboratoire ExSiTE de Hopkins est spécialisé dans les techniques laser pour mesurer les propriétés thermiques. Son laboratoire jouera un rôle déterminant dans la caractérisation des matériaux proposés par l’équipe.
Zhou est un modélisateur informatique connu pour avoir inventé des variantes de la méthode CALPHAD afin d’étendre ses capacités. Lui et un autre spécialiste de la modélisation informatique, Qijun Hong, professeur adjoint de l’ASU en science et ingénierie des matériaux, utiliseront leur expertise respective pour accélérer la découverte de « recettes » prometteuses que les laboratoires expérimentaux pourront essayer dans les deux écoles.
Les laboratoires de l’ASU sont dirigés par Alexandra Navrotsky, experte interdisciplinaire renommée en thermodynamique et directrice du Centre Navrotsky Eyring pour les matériaux de l’univers, et Hongwu Xu, minéralogiste et chimiste des matériaux et professeur dans les écoles de sciences moléculaires et d’exploration de la Terre et de l’espace de l’ASU. .
Les équipes créeront et analyseront des recettes potentielles – en échangeant souvent des échantillons pour les tester, a déclaré Opila, son laboratoire apportant une chaleur extrême, tandis que les laboratoires de l’ASU appliquent une pression intense ainsi que des tests à haute température.
Coupons de coupure
La synthèse des échantillons de test commence traditionnellement par un élément sous forme de poudre, a déclaré UVA Ph.D. étudiant Pádraigín Stack, qui est chimiquement modifié pour isoler un matériau cible ou un composant d’une cible.
La nouvelle composition, qui a été diluée, chauffée et séchée jusqu’à obtenir une poudre, est ensuite frittée, un processus appliquant suffisamment de chaleur et de pression pour former une rondelle dense de matériau. De fines tranches de rondelle, appelées coupons, fournissent les échantillons que les chercheurs soumettront à divers tests, par exemple en les exposant à de la vapeur à haute vitesse dans le laboratoire d’Opila ou, à l’ASU, en appliquant des pressions de type géologique avec une enclume en diamant.
En plus de ces méthodes de synthèse traditionnelles, l’équipe tentera des approches inspirées de phénomènes planétaires ou géologiques, comme la synthèse hydrothermale, qui se produit dans de l’eau chauffée à des pressions élevées. L’eau étant abondante dans l’intérieur chaud et pressurisé de la Terre, les processus hydrothermaux sont associés, par exemple, à la formation de minéraux contenant des éléments de terres rares, composants essentiels pour de nombreuses applications d’énergies renouvelables.
En laboratoire, la synthèse hydrothermale consiste à former des cristaux dans une solution à base d’eau chaude dans un récipient fermé de telle sorte que les molécules gazeuses se déplaçant au sommet du liquide exercent une pression de vapeur élevée au sein du système.
Le dilemme des éléments de terres rares
L’un des objectifs du projet MURI est l’utilisation d’éléments de terres rares. De nombreux éléments de terres rares sont déjà utilisés dans les matériaux conventionnels à haute température, tels que les revêtements de barrière environnementale dans l’aviation et les vols hypersoniques, ainsi que dans les batteries, les dispositifs LED et d’autres produits de plus en plus demandés, mais à un coût élevé. Bien que cela ne soit pas rare, la séparation des éléments du sol et de la roche nécessite des dizaines d’étapes, la plupart polluantes.
« Tous ces oxydes de terres rares que nous allons utiliser se trouvent actuellement dans les minéraux », a déclaré Opila. « Quelqu’un les exploite et ensuite il doit tous les séparer. Par exemple, l’ytterbium et le lutécium sont voisins dans le tableau périodique. Ils sont si similaires chimiquement qu’il faut 66 étapes impliquant de nombreux produits chimiques, ce qui entraîne des déchets désagréables.
Le problème de séparation a amené Opila à poser une question au cœur d’un autre projet sur lequel elle et ses étudiants travaillent et lié au MURI : « Et si vous preniez un minéral composé des éléments que vous voulez directement du sol sans les séparer, nettoyez-le juste un peu et faites votre matériel à partir de ça ?
Ils expérimentent le xénotime, un minéral commun, pour améliorer les revêtements barrières environnementales, ou EBC, qui protègent les pièces des moteurs à réaction contre des dangers tels que la vapeur à grande vitesse et le sable du désert. Le sable ingéré peut fondre en verre et réagir avec le substrat sous-jacent. alliage s’il s’infiltre dans le revêtement.
« Nous savons que certains minéraux sont stables car nous pouvons les trouver dans le sol », a déclaré Stack. « On ne trouve pas de fer métallique dans le sol, on trouve de l’oxyde de fer parce que l’oxyde de fer est ce qui est stable. Explorons pourquoi quelque chose est stable ou s’il possède d’autres propriétés utiles, et utilisons ces connaissances pour améliorer quelque chose.
