Des chercheurs de la NC State University ont étudié l’utilisation de lasers pour créer des céramiques capables de résister à des températures très élevées. Cette technique peut être utilisée pour créer des revêtements céramiques, des tuiles ou des structures tridimensionnelles complexes, ce qui permet d’accroître la polyvalence lors de l’élaboration de nouveaux dispositifs et de nouvelles technologies.
Les applications réalisées grâce à cette technique vont des technologies de l’énergie nucléaire aux engins spatiaux et aux systèmes d’échappement des réacteurs.
« Le frittage est le processus par lequel les matières premières – poudres ou liquides – sont transformées en un matériau céramique », explique Cheryl Xu, co-auteur correspondant d’un article sur cette recherche et professeur de génie mécanique et aérospatial à l’université d’État de Caroline du Nord. « Pour ce travail, nous nous sommes concentrés sur une céramique à ultra-haute température appelée carbure de hafnium (HfC). Traditionnellement, le frittage du HfC nécessite de placer les matières premières dans un four pouvant atteindre des températures d’au moins 2 200 degrés Celsius – un processus qui prend du temps et consomme beaucoup d’énergie. Notre technique est plus rapide, plus facile et nécessite moins d’énergie. »
Comment fonctionne-t-elle ?
La nouvelle technique consiste à appliquer un laser de 120 watts à la surface d’un précurseur de polymère liquide dans un environnement inerte, tel qu’une chambre à vide ou une chambre remplie d’argon. Le laser sintérise le liquide, le transformant en une céramique solide. Ce procédé peut être utilisé de deux manières différentes.
Tout d’abord, le précurseur liquide peut être appliqué en tant que revêtement sur une structure sous-jacente, comme les composites de carbone utilisés dans les technologies hypersoniques telles que les missiles et les véhicules d’exploration spatiale. Le précurseur peut être appliqué à la surface de la structure, puis fritté avec le laser.
« Comme le processus de frittage ne nécessite pas d’exposer l’ensemble de la structure à la chaleur du four, cette nouvelle technique est prometteuse car elle nous permet d’appliquer des revêtements céramiques à ultra-haute température sur des matériaux qui pourraient être endommagés par le frittage dans un four », explique M. Xu.
Combiner le frittage laser avec une technique similaire à la SLA pour imprimer les céramiques
La deuxième façon dont les ingénieurs peuvent utiliser la nouvelle technique de frittage concerne la fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D. Plus précisément, la méthode de frittage laser peut être utilisée conjointement avec une technique similaire à la stéréolithographie.
Dans cette technique, un laser est monté sur une table qui baigne dans un bain de précurseur liquide. Pour créer une structure tridimensionnelle, les chercheurs créent une conception numérique de la structure, puis la « découpent » en couches. Pour commencer, le laser dessine le profil de la première couche de la structure dans le polymère, remplissant le profil comme s’il s’agissait de colorier une image. Au fur et à mesure que le laser remplit cette zone, l’énergie thermique transforme le polymère liquide en céramique.
La table s’enfonce ensuite un peu plus dans le bain de polymère et une lame balaie le dessus pour égaliser la surface. Le laser fritte ensuite la deuxième couche de la structure, et ce processus se répète jusqu’à l’obtention d’un produit fini en céramique frittée.
« C’est en fait une simplification un peu excessive de dire que le laser ne fait que fritter le précurseur liquide », explique M. Xu. « Il est plus exact de dire que le laser convertit d’abord le polymère liquide en polymère solide, puis le polymère solide en céramique. Cependant, tout cela se produit très rapidement – il s’agit essentiellement d’un processus en une seule étape ».
Lors d’essais de validation du concept, les chercheurs ont démontré que la technique de frittage laser produisait du HfC cristallin et pur en phase à partir d’un précurseur polymère liquide.
« À notre connaissance, c’est la première fois que l’on parvient à créer du HfC de cette qualité à partir d’un précurseur polymère liquide », explique M. Xu. « Les céramiques à ultra-haute température, comme leur nom l’indique, sont utiles pour un large éventail d’applications où les technologies doivent résister à des températures extrêmes, comme la production d’énergie nucléaire. »
La nouvelle technique de frittage laser est également beaucoup plus efficace que le frittage conventionnel à plusieurs égards.
Accéder à la recherche complète ici.
N’oubliez pas que vous pouvez poster gratuitement les offres d’emploi de l’industrie de la FA sur 3D ADEPT Media ou rechercher un emploi via notre tableau d’offres d’emploi. N’hésitez pas à nous suivre sur nos réseaux sociaux et à vous inscrire à notre newsletter hebdomadaire : Facebook, Twitter, LinkedIn & Instagram ! Si vous avez une innovation à partager pour le prochain numéro de notre magazine numérique ou si vous avez un article à faire connaître, n’hésitez pas à nous envoyer un email à contact@3dadept.com
