Les matériaux avancés sont ceux qui ont fait l'objet de recherches récentes ou qui sont en cours de développement et qui possèdent des performances exceptionnelles et des fonctionnalités spéciales. Ces matériaux sont d'une importance capitale pour le progrès de la science et de la technologie, en particulier pour les industries de haute technologie et les industries émergentes. Cet article présente brièvement certains de ces matériaux d'ingénierie innovants. 1. Fibres optiques Les fibres optiques, abrégées [...]
Les matériaux avancés sont ceux qui ont fait l'objet de recherches récentes ou qui sont en cours de développement et qui possèdent des performances exceptionnelles et des fonctionnalités spéciales. Ces matériaux sont d'une importance capitale pour le progrès de la science et de la technologie, en particulier pour les industries de haute technologie et les industries émergentes.
Cet article présente brièvement certains de ces matériaux d'ingénierie innovants.
Les fibres optiques, abrégées en fibres, sont des fibres optiques utilisées pour transmettre des informations lumineuses. En tant que support de transmission des ondes lumineuses, les fibres typiques sont constituées d'un cœur à indice de réfraction élevé et d'une gaine à indice de réfraction plus faible. Dans les applications pratiques, des centaines, voire des milliers de fibres sont combinées dans un certain type de structure de câble.
Pour la transmission sur de longues distances, des répéteurs optiques sont nécessaires pour rétablir les signaux lumineux qui diminuent progressivement au cours de la transmission. Les deux principales caractéristiques des fibres optiques sont la perte de lumière et la largeur de bande de transmission ; la première détermine la distance de transmission, tandis que la seconde régit la capacité d'information.
Le développement des fibres optiques est actuellement axé sur l'augmentation de la distance non répétitive, la réduction des pertes et l'évolution vers des longueurs d'onde super longues et des bandes de fréquences ultra larges. Voici quelques types de fibres optiques qui ont été développées et utilisées :
Actuellement, les fibres de communication sont principalement composées de verre de quartz fondu de haute pureté. Les fibres de quartz sont chimiquement stables, ont un faible coefficient de dilatation, une excellente fiabilité à long terme et des ressources abondantes. Cependant, elles sont quelque peu fragiles et la réduction de la perte de lumière est limitée.
Le matériau de base des fibres plastiques peut être le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et le polystyrène (PS), les matériaux de recouvrement des fibres pouvant être la résine fluorée dans le PMMA ou le matériau PMMA dans le PS. Les fibres plastiques présentent de nombreux avantages, tels qu'une excellente flexibilité, une grande résistance à la rupture, un poids léger, un faible coût et un traitement simple.
Toutefois, en raison de l'importante perte de transmission, leurs applications se concentrent principalement sur la transmission d'informations énergétiques et d'images sur de courtes distances.
La fibre de verre composée de sulfure la plus typique est le système As-S, qui a un point de fusion élevé et une bonne aptitude au traitement.
Les fibres à cristaux d'halogénures comprennent notamment les cristaux simples de CsBr et de CrI et les cristaux polycristallins de TiBrI. Les fibres cristallines présentent une faible perte sur une large bande de longueur d'onde de 1 à 10 μm et peuvent être utilisées pour la transmission de laser à gaz CO.
Les matériaux prometteurs pour les fibres infrarouges à très faibles pertes actuellement à l'étude comprennent le verre de silicate de zirconium (hafnium) fluoré, le verre d'aluminate fluoré et le verre fluoré composé principalement d'oxyde de thorium et de fluorures de terres rares.
Parmi eux, le verre de silicate de zirconium (hafnium) est considéré comme le matériau le plus prometteur pour les fibres de communication à grande longueur d'onde, avec des caractéristiques telles qu'une large gamme de longueurs d'onde, une faible dispersion et une bonne aptitude au traitement.
Les fibres optiques peuvent être utilisées pour la transmission d'informations informatiques, ce qui permet d'établir des réseaux informatiques flexibles, à grande vitesse et à grande échelle pour la recherche de données, les transactions bancaires, les contrats à terme et, éventuellement, la transmission d'images holographiques sur de longues distances. Elles peuvent également être utilisées pour transmettre des lasers à haute intensité et fabriquer des capteurs à fibre optique, entre autres applications.
En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a découvert une disparition soudaine de la résistance du mercure à la température de l'azote liquide, soit 4,2 K. Ce phénomène est connu sous le nom de supraconductivité. Ce phénomène est connu sous le nom de supraconductivité, et les matériaux qui le présentent sont appelés supraconducteurs.
L'état dans lequel un supraconducteur passe à une résistance nulle est appelé état supraconducteur. La température à laquelle la supraconductivité apparaît est définie comme la température critique, notée T, et est mesurée en Kelvin (K), l'échelle de température thermodynamique.
On a découvert par la suite que si un supraconducteur est refroidi dans un champ magnétique, au point où la résistance du matériau disparaît, les lignes de champ magnétique sont expulsées du conducteur, un phénomène connu sous le nom de diamagnétisme parfait ou d'effet Meissner. La supraconductivité et le diamagnétisme sont les deux principales caractéristiques des supraconducteurs.
Les matériaux supraconducteurs ont des applications dans divers domaines, notamment l'énergie, les transports, l'information, la science fondamentale et les soins de santé. Par exemple, dans les systèmes électriques, le stockage supraconducteur de l'énergie est actuellement la méthode de stockage la plus efficace, et l'utilisation de la transmission supraconductrice peut réduire de manière significative les pertes d'énergie.
Les aimants supraconducteurs, avec leurs champs magnétiques élevés, leur faible perte d'énergie et leur poids léger, peuvent être utilisés pour la production d'énergie magnétohydrodynamique, convertissant directement l'énergie thermique en énergie électrique et augmentant de manière significative la puissance de sortie des générateurs.
L'utilisation de l'effet tunnel supraconducteur permet de créer divers dispositifs caractérisés par une grande sensibilité, un faible bruit, une réponse rapide et une faible perte, qui conviennent à la détection des ondes électromagnétiques et favorisent la mise en pratique des technologies de mesure et d'essai de précision. En informatique, les ordinateurs à jonction Josephson fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs peuvent effectuer dix calculs à grande vitesse par seconde, avec une petite taille et une grande capacité.
L'effet de lévitation magnétique produit par les supraconducteurs et les champs magnétiques peut être utilisé pour créer des trains maglev supraconducteurs. En outre, les champs magnétiques massifs générés par les supraconducteurs peuvent être utilisés dans des réactions thermonucléaires contrôlées.
Les alliages amortissant les vibrations sont des matériaux fonctionnels qui possèdent des capacités d'amortissement des vibrations tout en conservant la résistance structurelle nécessaire. Il s'agit d'alliages présentant un frottement interne élevé, ce qui permet une décroissance rapide des vibrations. En fonction de leurs mécanismes d'amortissement, les alliages antivibratoires peuvent être classés en plusieurs catégories : multiphases, ferromagnétiques, à jumeaux et à dislocations.
Les alliages multiphasés comprennent deux phases ou plus, généralement une seconde phase plus molle répartie sur une matrice plus dure. Ils utilisent la déformation plastique répétée de la seconde phase de l'alliage pour convertir l'énergie vibratoire en chaleur de friction pour l'amortissement.
La fonte grise à graphite lamellaire est l'alliage amortissant multiphase le plus largement utilisé, généralement pour les bases de machines-outils, les vilebrequins, les cames, etc. L'alliage Al-Zn est un autre alliage amortissant multiphase typique, utilisé dans des appareils tels que les amplificateurs stéréo.
Ces alliages utilisent la magnétostriction des matériaux ferromagnétiques et la rotation et le mouvement des domaines magnétiques pendant les vibrations pour consommer l'énergie vibratoire à des fins d'amortissement. L'acier au chrome avec une teneur en chrome de 12% et les alliages à base de Fe-Cr-Al sont des exemples d'alliages ferromagnétiques amortissants, utilisés dans les pales de turbines à vapeur, les engrenages d'instruments de précision, etc.
Les alliages de jumelage utilisent la formation de fines structures jumelées pendant le changement de phase, absorbant l'énergie vibratoire par le mouvement des joints de grains jumelés. Par exemple, l'alliage Mn-Cu-Ni-Fe récemment mis au point au Japon peut réduire de moitié l'amplitude d'une seule vibration, ce qui convient aux pièces de moteur, aux carters de moteur, aux pièces de machines à laver, etc.
Les alliages de dislocations absorbent l'énergie vibratoire due à la vibration mutuelle entre les dislocations et les atomes interstitiels. L'alliage Mg-Zr (wZr=6%), par exemple, est utilisé dans les gyrocompas pour le guidage des missiles et dans les supports d'instruments de précision tels que les dispositifs de contrôle, dont il assure le fonctionnement normal.
L'alliage Mg-MgNi possède non seulement d'excellentes propriétés d'amortissement, mais aussi une grande résistance et une faible densité, ce qui en fait un excellent matériau d'amortissement des vibrations pour l'industrie aérospatiale.
Le mode de défaillance le plus dangereux des matériaux à basse température est la rupture fragile à basse température. Par conséquent, les matériaux travaillant à basse température doivent posséder une excellente ténacité à basse température. En outre, pour éviter la déformation thermique causée par les changements entre la température ambiante et la basse température, ces matériaux doivent avoir un coefficient de dilatation thermique plus faible et une bonne usinabilité.
Les matériaux utilisés sous des champs magnétiques à basse température doivent généralement être non magnétiques. Les matériaux métalliques à basse température comprennent principalement l'acier ferritique faiblement allié, l'acier inoxydable austénitique, l'acier au nickel, l'acier duplex, les superalliages à base de fer et de nickel, les alliages d'aluminium, les alliages de cuivre, les alliages de titane, etc.
En fonction des différentes températures d'utilisation, les matériaux basse température couramment utilisés peuvent être classés dans les trois catégories suivantes :
(1) Matériaux pour -40 à -100℃ : Les matériaux à basse température utilisés dans cette gamme de température sont principalement l'acier à faible teneur en carbone et l'acier faiblement allié, tel que l'acier allié avec 3.5% wNiet l'acier au manganèse à faible teneur en carbone 06MnVAl, tué par l'aluminium, dont la température d'utilisation la plus basse est de -130℃.
Ils sont principalement utilisés dans les industries pétrochimiques, les équipements de réfrigération, les structures d'ingénierie dans les régions froides, les gazoducs et les compresseurs, pompes et vannes fonctionnant à basse température.
(2) Matériaux pour -160 à -196℃ : Les matériaux basse température utilisés dans cette gamme de température sont principalement destinés aux industries de production de gaz naturel liquéfié et d'oxygène.
Il s'agit notamment de l'acier inoxydable austénitique 18-8, qui présente une excellente ténacité à basse température, mais une résistance moindre et un coefficient de dilatation plus élevé ; de l'acier basse température à base de nickel, tel que l'acier à 9% wNi (wc<0,1%), Ni (wNi=5%) -Mo (wMo=0,2%), qui présentent une résistance élevée, une bonne ténacité à basse température, une soudabilité fiable et sont de plus en plus utilisés ; l'acier austénitique à haute teneur en manganèse 20Mn23Al, l'alliage d'aluminium 5083, etc.
(3) Matériaux à ultra-basse température pour -253 à -269℃ : Ces types de matériaux sont principalement utilisés pour fabriquer des conteneurs pour le stockage et le transport de l'hydrogène liquide et du chlore liquide, ainsi que des pièces dans les dispositifs supraconducteurs à fort champ magnétique.
Les alliages pour ultra-basses températures qui ont été développés et font l'objet de recherches comprennent principalement : l'acier inoxydable austénitique pour ultra-basses températures formé par l'ajout de carbone et d'azote à la base de l'acier inoxydable de type 18-8 ; l'acier inoxydable austénitique à haute teneur en manganèse 15Mn26Al4 ; l'acier inoxydable au Ni (wNi=12%) -Ti (wTi=0,25%), Ni (wNi=13%) -Mo (WMo=3%) et les alliages à base de nickel.
Contrairement aux matériaux ordinaires, les matériaux à mémoire de forme se distinguent par le fait qu'ils conservent leur déformation lorsqu'ils sont soumis à une contrainte à basse température et qu'ils ne disparaissent pas une fois la contrainte supprimée. Toutefois, lorsqu'il est chauffé au-delà d'une certaine température critique intrinsèque, le matériau peut reprendre entièrement sa forme géométrique d'avant la déformation, comme s'il se souvenait de sa forme d'origine.
Ce phénomène est connu sous le nom d'effet de mémoire de forme. Les matériaux qui présentent cet effet sont appelés matériaux à mémoire de forme. Les matériaux à mémoire de forme métalliques et céramiques présentent l'effet de mémoire de forme par transformation de la phase martensitique, tandis que les matériaux à mémoire de forme polymères présentent cet effet en raison des changements dans la structure de leur chaîne avec la température.
Les matériaux à mémoire de forme sont principalement des alliages à mémoire de forme, dont il existe des dizaines d'exemplaires actuellement utilisés. Ces alliages se répartissent grosso modo comme suit
1) Alliages à base de nickel et de titane (Ni-Ti) : Composés de nickel et de titane dans un rapport atomique de 1:1, ces alliages ont de superbes effets de mémoire de forme, une grande résistance à la chaleur, à la corrosion, une solidité et une résistance à la fatigue thermique inégalée, ainsi qu'une excellente biocompatibilité. Toutefois, le coût élevé des matières premières et la difficulté des processus de fabrication les rendent onéreux et difficiles à usiner.
2) Les alliages à base de cuivre : Les alliages à base de cuivre sont peu coûteux, faciles à produire, ont de bons effets de mémoire de forme, une faible résistivité et une bonne usinabilité. Toutefois, le taux de récupération de la forme diminue en cas d'utilisation prolongée ou répétée, ce qui constitue un problème qu'il convient de résoudre. Les alliages à base de cuivre les plus pratiques sont le Cu-Zn-Al, mais il en existe d'autres comme le Cu-Al-Mn et le Cu-Al-Ni.
3) À base de fer : Les alliages à mémoire de forme à base de fer ont une résistance élevée, une bonne plasticité et sont peu coûteux, ce qui leur vaut une attention croissante. Les alliages à mémoire de forme à base de fer actuellement en cours de développement et de recherche comprennent principalement le Fe-Mn-Si et le Fe-N-Co-Ti.
Récemment, l'effet de mémoire de forme a été découvert dans des matériaux céramiques, des matériaux polymères et des matériaux supraconducteurs, chacun ayant ses propres caractéristiques, ce qui élargit encore les perspectives d'application des matériaux à mémoire.
Les matériaux à mémoire de forme ont été largement utilisés dans l'aviation, l'aérospatiale, les machines, l'électronique, l'énergie, les domaines médicaux et la vie quotidienne. Par exemple, une compagnie d'aviation américaine a utilisé l'effet de mémoire de forme pour résoudre le problème de connexion des tuyaux d'huile difficiles à souder sur l'avion de chasse F-14.
L'hydrogène, qui est une source d'énergie non polluante et disponible en abondance sur Terre, devrait devenir une source d'énergie primaire à l'avenir. Toutefois, le stockage de l'hydrogène constitue un défi de taille. Un matériau fonctionnel capable d'absorber et de stocker l'hydrogène sous forme d'hydrures métalliques et de libérer l'hydrogène stocké en cas de besoin est appelé matériau de stockage de l'hydrogène.
Les matériaux de stockage de l'hydrogène absorbent l'hydrogène pour former des hydrures métalliques et dégagent de la chaleur lors du refroidissement ou de la pressurisation. Inversement, ils se transforment en métal et en hydrogène, libérant de l'hydrogène gazeux et absorbant de la chaleur en cas de chauffage ou de dépressurisation. La densité de l'hydrogène dans les matériaux de stockage de l'hydrogène est 1000 à 1300 fois supérieure à celle de l'hydrogène gazeux.
Actuellement, les principaux matériaux de stockage de l'hydrogène en cours d'étude et de développement sont les suivants :
à base de magnésium : Ces matériaux ont une grande capacité de stockage de l'hydrogène et sont peu coûteux. L'inconvénient est qu'ils nécessitent des températures supérieures à 250°C pour libérer de l'hydrogène. Les exemples incluent Mg2Ni, Mg2Cu, etc.
À base de titane : Les alliages de stockage d'hydrogène à base de titane ont une grande capacité d'absorption de l'hydrogène, sont facilement activés à température ambiante, sont peu coûteux et conviennent à des applications à grande échelle. Il s'agit par exemple d'alliages binaires tels que titane-manganèse, titane-chrome, et d'alliages ternaires et multi-éléments tels que titane-manganèse-chrome, titane-zirconium-chrome-manganèse, etc.
À base de zirconium : Caractérisés par d'excellentes propriétés de stockage de l'hydrogène, même à des températures supérieures à 100°C, ils peuvent absorber et libérer de grandes quantités d'hydrogène rapidement et efficacement, ce qui les rend appropriés pour les matériaux de stockage de l'hydrogène à haute température. Exemples : ZrCr2, ZrMn2, etc.
À base de terres rares : Les alliages de stockage d'hydrogène à base de terres rares, représentés par l'alliage lanthane-nickel LaNi, ont de bonnes propriétés d'absorption de l'hydrogène et sont facilement activés. Ils libèrent rapidement de l'hydrogène à des températures supérieures à 40°C, mais leur coût est relativement élevé.
Pour réduire les coûts et améliorer les performances, le mélange de terres rares peut remplacer le lanthane, ou d'autres éléments métalliques peuvent partiellement remplacer l'alliage de stockage d'hydrogène multi-éléments formé par le mélange de terres rares et de Ni.
À base de fer : L'alliage de stockage d'hydrogène à base de fer le plus courant est l'alliage fer-titane. Il possède d'excellentes propriétés de stockage de l'hydrogène et est peu coûteux, mais son activation est relativement difficile.
Les matériaux naturels peuvent être classés en trois catégories en fonction de leurs propriétés magnétiques : diamagnétiques, paramagnétiques et ferromagnétiques. Les matériaux magnétiques sont des substances qui possèdent le ferromagnétisme.
Les matériaux magnétiques sont essentiels dans des secteurs tels que l'électronique, l'énergie, les moteurs électriques, l'instrumentation et les télécommunications. En fonction de leurs propriétés magnétiques, les matériaux magnétiques peuvent être classés en matériaux magnétiques doux et matériaux magnétiques durs.
Les matériaux magnétiques doux sont ceux qui sont facilement magnétisés sous un champ magnétique externe et qui se démagnétisent facilement lorsque le champ externe est supprimé. Ils se caractérisent par une perméabilité élevée, une force d'induction magnétique élevée, une faible coercivité et une perte d'énergie minimale lors de l'aimantation et de la désaimantation.
Il existe de nombreux types de matériaux magnétiques doux, les plus courants étant le fer électrique pur, les tôles d'acier au silicium, les alliages Fe-Al, les alliages Fe-Ni et les matériaux magnétiques doux à base de ferrite.
Les matériaux magnétiques durs, également connus sous le nom de matériaux magnétiques permanents, sont ceux qui peuvent générer un champ magnétique sans alimentation externe une fois qu'ils sont magnétisés.
Ces matériaux se caractérisent par une coercivité et un magnétisme résiduel considérables et sont largement utilisés dans les instruments magnétoélectriques, les haut-parleurs, les générateurs à aimant permanent et les appareils de communication.
Les matériaux magnétiques durs actuellement utilisés et étudiés peuvent être grossièrement divisés en matériaux magnétiques durs métalliques, matériaux magnétiques durs en ferrite, matériaux magnétiques durs en terres rares et matériaux magnétiques durs en néodyme-fer-bore.
En outre, certains matériaux magnétiques sont destinés à des usages particuliers, tels que les matériaux de mémoire magnétique pour l'enregistrement d'informations (fabrication de bandes magnétiques, de disques magnétiques, etc.), les matériaux utilisés pour les têtes d'enregistrement, les matériaux magnétiques de mémoire dans les ordinateurs électroniques et les matériaux de compensation magnétique dans les instruments de précision.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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