Les faisceaux de neutrons pourraient ouvrir la voie à la prochaine génération de matériaux absorbant l'énergie

Le Canada est confronté à des exigences croissantes en matière de protection du personnel et des véhicules militaires dans un monde de plus en plus instable, de garantie de la fiabilité des technologies satellitaires et spatiales qui soutiennent les communications et la navigation, ainsi que d'amélioration de la sécurité des infrastructures de transport.

Dans tous ces domaines, les performances dépendent de plus en plus de la manière dont les matériaux réagissent à des charges énergétiques extrêmes et de courte durée au sein de structures internes complexes. Par exemple, lorsqu'un projectile heurte un blindage ou qu'un véhicule entre en collision à grande vitesse, la question cruciale n'est pas simplement de savoir si le matériau résiste à l'impact, mais comment il absorbe et dissipe cette énorme décharge d'énergie. Les matériaux capables de s'affaisser de manière contrôlée, de rediriger les forces et de limiter la transmission des chocs sont essentiels à la protection des vies, que ce soit sur le champ de bataille ou dans les environnements civils quotidiens.

Une nouvelle vague de recherches sur les matériaux absorbant l'énergie - en particulier ceux issus de la fabrication additive - ouvre la voie à des stratégies de conception totalement inédites. Grâce à ces avancées, les faisceaux de neutrons constituent de puissants outils d'analyse qui permettent de mettre en lumière les mécanismes internes déterminant la réussite ou l'échec de ces matériaux.

Un défi de conception défini par des conditions extrêmes Les matériaux absorbant l'énergie utilisés dans la protection balistique, le blindage des véhicules et les systèmes d'atténuation des chocs sont spécialement conçus pour se déformer. Plutôt que de résister à l'impact uniquement par leur solidité, nombre de ces matériaux absorbent l'énergie grâce à des mécanismes internes d'effondrement soigneusement conçus.

"Ce sont des matériaux qui, en quelque sorte, se sacrifient", explique Abdallah Elsayed, professeur à l'université de Guelph, dont les travaux portent sur les matériaux de pointe. "Ils sont conçus pour s'effondrer sur eux-mêmes de manière prévisible afin d'absorber le plus d'énergie possible."

Ces matériaux sont précieux pour les blindages des hommes et des véhicules, mais leur intérêt dépasse largement le cadre des applications militaires. Des concepts similaires sont à la base des infrastructures routières absorbant l'énergie, telles que les glissières de sécurité et les amortisseurs de chocs, ainsi que des matériaux utilisés pour protéger les charges utiles de grande valeur dans les systèmes aérospatiaux et spatiaux, où les composants doivent résister à des chocs extrêmes sans ajouter de masse excessive.

Pour parvenir à une absorption d'énergie fiable et prévisible, il faut toutefois bien comprendre comment les structures internes complexes réagissent lorsqu'elles sont soumises à des charges extrêmes de courte durée.

La fabrication additive permet de nouvelles conceptions, mais complique la compréhension des matériaux

La fabrication additive, ou impression 3D, est de plus en plus intéressante pour les applications de défense et de sécurité, car elle permet aux ingénieurs de créer des architectures internes complexes et de concevoir sur mesure des composants qui ne peuvent être produits qu'en petites quantités.

Mais cette flexibilité de conception s'accompagne d'un défi de taille.

"Les matériaux fabriqués de manière additive sont difficiles à caractériser", explique Levente Balogh, professeur à la Queen's University. "De légères modifications des paramètres d'impression, des profils thermiques ou de l'orientation de l'assemblage peuvent entraîner d'importantes variations de la microstructure et des contraintes résiduelles."

Pour les matériaux absorbant l'énergie, ces variations ont leur importance. Ells déterminent le point de départ de la déformation, la manière dont les contraintes se redistribuent lors d'un impact, ainsi que l'uniformité des performances d'un matériau d'un composant à l'autre.

Comprendre les matériaux soumis à des chocs : de la cause à la conséquence

Lorsqu'un matériau absorbant l'énergie subit un choc balistique ou à grande vitesse, il entre dans ce que les spécialistes spécialisés dans les matériaux appellent un état de choc, marqué par des contraintes résiduelles et des déformations locales, qui peuvent se traduire par des dislocations, des fissures, un maclage et des changements de phase, tous des phénomènes résultant de l'absorption d'énergie.

Pour aller au-delà d'une conception par essais et erreurs, les chercheurs ont besoin de données sur la microstructure et les contraintes résiduelles, tant à l'état tel qu'imprimé qu'à l'état après choc.

"Nous pouvons utiliser des modèles pour tenter de prédire ce qui arrive à ces matériaux en cas d'impact, mais ces modèles reposent sur des hypothèses qui ne peuvent être validées que par la caractérisation des matériaux à l'aide de neutrons, de rayons X et d'autres outils", explique Balogh. "L'essentiel est d'étudier à la fois la microstructure initiale et l'état après choc, puis de relier ces observations entre elles."

Pourquoi les faisceaux de neutrons sont si précieux

Les faisceaux de neutrons offrent des possibilités qu'il est difficile, voire impossible, de reproduire avec d'autres techniques expérimentales.

La diffraction des neutrons permet de mesurer de manière non destructive les contraintes internes, les changements de phase et les mécanismes de déformation au plus profond des matériaux denses. Cette capacité est particulièrement importante pour comprendre comment les contraintes se développent au cours de la fabrication additive et comment elles se redistribuent après un impact à haute vitesse.

L'imagerie neutronique vient compléter ces connaissances en révélant la structure interne tridimensionnelle des matériaux absorbant l'énergie sur de grandes échelles de longueur. Il est possible de visualiser les réseaux de vides conçus, les modèles d'effondrement des réseaux cristallins et les voies de propagation des dommages internes sans avoir à découper le composant.

"L'imagerie neutronique nous permettrait de visualiser les caractéristiques internes de l'ensemble de la structure", explique Elsayed. "Des éléments tels que les vides et les mécanismes d'effondrement qui sont essentiels au comportement de ces matériaux en cas d'impact."

Associées aux techniques de radiographie, à la microscopie et à la modélisation, les mesures basées sur les neutrons fournissent la base expérimentale nécessaire à la validation des hypothèses et à l'amélioration de la fiabilité des prévisions.

Perspectives d'avenir

"La fabrication additive de matériaux absorbant l'énergie est un domaine en pleine expansion pour la recherche en matière de défense", conclut Elsayed. "Les progrès dans ce domaine dépendent d'outils expérimentaux capables de révéler ce qui se passe à l'intérieur des matériaux, avant, pendant et après qu'ils ont absorbé de l'énergie."

Les faisceaux de neutrons offrent précisément cette capacité, contribuant ainsi à combler le fossé entre la conception des matériaux et leurs performances réelles. La recherche sur les neutrons fournit une base scientifique commune pour améliorer les systèmes de protection du personnel et des véhicules militaires, tout en renforçant la sécurité et la fiabilité des infrastructures civiles et spatiales essentielles du Canada.