1. Composites à matrice polymère
Parmi les matériaux structuraux les plus légers, les composites à matrice polymère (PMC) ont trouvé des applications dans l'aérospatiale, la marine et le sport. Ils sont aussi utilisés dans les appareils d'IRM, les gilets pare-balles et les dispositifs biomédicaux.
Les applications cryogéniques exigent des matériaux composites dont les propriétés mécaniques sont supérieures à celles observées à température ambiante. Cela inclut une résistance à la traction élevée, la ductilité, la résistance aux chocs et la résistance à la fatigue. Plusieurs types de composites ont été développés pour des applications cryogéniques. Ils ont servi à construire des aimants supraconducteurs et des systèmes de stockage cryogénique.
Ces composites sont fabriqués à partir d'une matrice polymère thermodurcissable, qui joue le rôle de liant et maintient les renforts incorporés. La matrice polymère est généralement composée de résines époxy, de résines phénoliques, de résines polyuréthane et de silicones. Les composites à matrice polymère sont un matériau léger, très résistant et résistant à la corrosion. Ils peuvent être conçus sur mesure pour des applications spécifiques.
Plusieurs types de composites à matrice polymère renforcés de fibres ont été étudiés pour des applications cryogéniques. Il s'agit notamment de la fibre de carbone et de la fibre de verre. Les nanotubes de carbone (CNT) sont un matériau de renfort prometteur. Ils ont suscité un vif intérêt pour leurs propriétés physiques. Ils peuvent être greffés sur la fibre pour les zones d'interface matrice-fibre. Ils sont aussi mélangés à la matrice polymère. C'est le moyen le plus efficace d'incorporer les CNT. C'est aussi le plus économique.
Les feuillets d'oxyde de graphène sont également connus pour améliorer les propriétés de l'EP. Ces feuillets augmentent le module d'Young et la résistance à la traction du composite. Ils ont aussi le potentiel d'améliorer la résistance aux chocs du matériau. Les composites graphène/EP ont atteint une amélioration maximale de la résistance de 10 % à 77 K.
Les nanotubes de carbone ont le potentiel d'améliorer les propriétés mécaniques des composites à matrice polymère. Ils ont une faible densité, un rapport d'aspect élevé et sont peu coûteux. Ils peuvent être mélangés à la matrice polymère, greffés sur la fibre ou incorporés à la matrice de résine. Les fibres peuvent être des multifilaments coupés ou des monofilaments continus.
Les composites renforcés de nanotubes de carbone sont prometteurs pour les applications cryogéniques. Ils n'ont toutefois pas été étudiés en profondeur. Les travaux présentés ici aideront les scientifiques à comprendre les propriétés des PMC en environnement cryogénique. Ils contribueront aussi à mieux comprendre l'aptitude à la mise en œuvre de ce matériau.
2. Polymères thermodurcissables modifiés
Plusieurs études ont examiné les polymères thermodurcissables modifiés pour des applications cryogéniques. Ce sont des composites polymères modifiés avec des nanoparticules, des composés organiques fonctionnels et des nanotubes de carbone. Ces modifications servent à améliorer les propriétés mécaniques du matériau.
Ces polymères sont utilisés dans des applications de matériaux composites, comme les structures d'avions. Ils servent aussi de matrice pour les tuyaux renforcés de verre. Ils sont également utilisés dans les circuits imprimés électriques et dans les environnements chimiques.
Les composites polymères subissent un certain nombre de procédés de fabrication. Ceux-ci comprennent la pulvérisation, la fusion et la reconsolidation. Des problèmes techniques peuvent aussi survenir pendant la transformation. Par exemple, on s'inquiète des microfissures entre la résine et les fibres à des températures cryogéniques.
Une étude a évalué les effets du mélange de PP avec de l'EP sur la résistance aux chocs et la ténacité au choc. La résistance à la traction du mélange a augmenté de 11 %. La ténacité au choc du mélange s'est également améliorée. Les chercheurs ont utilisé un outil commercial d'analyse par éléments finis pour quantifier l'effet du matériau modifié. Les résultats ont montré que la résistance aux chocs du mélange avait augmenté de 14,8 %.
Une autre étude a examiné les effets de l'ajout de CNT à l'époxy. Les auteurs ont constaté que l'ajout de nanotubes de carbone multiparois oxydés à l'époxy augmentait la ténacité à la fissuration de la matrice époxy. Ils ont aussi constaté une amélioration de la liaison interfaciale MWCNT-EP.
La polyéthersulfone a également été utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques du polymère. Les auteurs ont constaté que la meilleure dispersibilité des MWCNT-NH2 était de 0,2 % dans la matrice EP. Ils ont aussi constaté que des MWCNT dispersés de façon uniforme présentaient de grandes différences de coefficients de dilatation thermique.
Les effets de ces modifications sur les propriétés mécaniques du polymère thermodurcissable ne sont pas entièrement compris. Les modifications ont néanmoins montré un potentiel d'amélioration des performances du matériau dans les applications cryogéniques.
Les polyimides thermoplastiques sont produits par réaction de condensation de diamines aromatiques avec des dérivés de dianhydrides aromatiques. Ces polyimides ont la température limite la plus élevée de tous les thermodurcissables. Ils sont utilisés dans des applications structurales, comme les avions, ainsi que dans des applications résistantes à l'usure. Ils supportent aussi des expositions de courte durée jusqu'à 900 °F.
Dans cette revue, les auteurs présentent certaines des recherches les plus récentes menées sur les polymères thermodurcissables modifiés pour des applications cryogéniques. Les modifications comprennent divers composants, dont les nanotubes de carbone, le graphène et les composés organiques fonctionnels.3. Graphène
Le graphène a le potentiel de révolutionner l'électronique cryogénique. Il associe de façon unique conductivité thermique, large bande passante et faible consommation d'énergie. C'est aussi un bon candidat pour les éléments électroniques passifs. Il est en outre très stable sur une large plage de températures.
À des températures cryogéniques, le graphène présente un coefficient de Poisson proche de zéro et une déformation en compression très réversible. Il fait aussi preuve d'une grande stabilité en cyclage. Les propriétés mécaniques du graphène à ces températures sont également très proches de celles observées à température ambiante.
Ces propriétés résultent de la remarquable élasticité des feuillets de graphène. Ils possèdent de forts modes d'étirement dans le plan et de souples modes de flexion hors du plan. Le confinement latéral des porteurs de charge provoque toutefois une bande interdite d'énergie dans les nanorubans de graphène. La diffusion des phonons contribue ainsi à la résistivité totale des échantillons.
Ces caractéristiques font du graphène un candidat idéal pour les éléments électroniques passifs. Le graphène possède en outre d'excellentes propriétés optiques. Il est aussi pratiquement imperméable à tous les gaz et molécules. Cela en fait un excellent candidat pour une utilisation dans des films conducteurs transparents servant de sondes de température à résistance dans les systèmes cryogéniques.
Outre ses propriétés mécaniques invariantes avec la température, le graphène possède aussi d'excellentes caractéristiques électrochimiques. Il présente une conductivité très élevée de 4000 Wm-1 K-1. Il transporte aussi la chaleur bien mieux que le cuivre. Il convient également aux dispositifs microélectroniques.
À des températures cryogéniques profondes, le graphène présente une élasticité supercompressive. Pendant la compression, les parois cellulaires du feuillet de graphène se déforment. Cette déformation soutient le mécanisme de déformation par flexion/flambage.
De plus, les courbes contrainte-déformation à des températures cryogéniques profondes augmentent rapidement jusqu'à 90 % de déformation. Cela s'écarte des courbes contrainte-déformation à température ambiante, qui n'atteignent que 30 % de déformation. La déformation résiduelle est faible en raison des très petites imperfections de la paroi cellulaire du graphène. On estime que la déformation résiduelle cumulée est inférieure à 0,6 pour cent. C'était la première fois que cette déformation était mesurée. Elle ne s'est toutefois pas accumulée lors des mesures suivantes.
On pense que les propriétés thermiquement stables, à basse température et non cinétiques des mousses de graphène résultent d'une transition de phase. Le matériau serait également contrôlé thermiquement, sans transport de masse.
4. Alliages d'aluminium
Contrairement à l'acier, les alliages d'aluminium ont un rapport résistance/poids et une ductilité supérieurs à basse température. Cela signifie que les alliages d'aluminium sont idéaux pour les applications structurales en milieu arctique et dans d'autres environnements à basse température. Ces alliages ont aussi des propriétés supérieures en matière de formabilité, de résistance aux chocs et de tenue aux secousses.
Les alliages d'aluminium sont utilisés pour des applications structurales dans de nombreux secteurs. Parmi les applications les plus courantes des alliages d'aluminium figurent l'aviation, la construction navale et le domaine militaire. Ce matériau est aussi utilisé pour des structures offshore telles que les pipelines sous-marins.
Les alliages d'aluminium sont largement utilisés comme matériaux structuraux pour les applications cryogéniques. La cryogénie concerne des matériaux qui sont liquides à des températures négatives. Les propriétés des différents alliages d'aluminium varient sensiblement avec la température. Les alliages d'aluminium montrent toutefois une très légère variation de leurs propriétés de résistance à des températures négatives. De plus, la résistance à l'allongement des alliages d'aluminium diminue légèrement à des températures négatives. Cela signifie que les alliages d'aluminium nécessiteront des essais de traction sur éprouvette entaillée pour évaluer leur résistance à l'allongement.
Les caractéristiques les plus importantes des alliages d'aluminium à des températures négatives sont leur résistance à la traction, leur ductilité et leur formabilité. Les alliages d'aluminium présentent aussi une résistance temporaire et une limite d'élasticité. Ces caractéristiques contribuent à leurs propriétés mécaniques supérieures. Ces propriétés sont encore améliorées lorsque les alliages d'aluminium subissent un traitement thermique.
Les alliages d'aluminium sont utilisés pour des applications cryogéniques depuis de nombreuses années. Les nouvelles technologies de fabrication ont toutefois permis de développer de meilleurs alliages d'aluminium. Ces nouveaux matériaux présentent des propriétés mécaniques supérieures après traitement thermique. Ces alliages peuvent aussi être utilisés dans d'autres applications à basse température.
Les alliages d'aluminium ont été étudiés à des températures négatives en ce qui concerne leur résistance à la traction, leur ductilité, leur formabilité et leur faciès de rupture. Ces alliages ont aussi été étudiés en fonction de leurs vitesses de déformation quasi statiques et dynamiques. Ils ont montré que les alliages d'aluminium se comportaient différemment à basse température selon leur composition chimique, la température et la vitesse de déformation. Ces différences étaient aussi liées à l'effet de facteurs microstructuraux.
Ces études ont confirmé l'effet Portevin-Le Chatelier pour les températures plus basses. Elles ont en outre vérifié la sensibilité positive et négative à la vitesse de déformation des alliages d'aluminium. Ces résultats ont mis en évidence les questions clés à traiter pour le développement avancé d'alliages d'aluminium.
