Résumé :
Depuis longtemps, le titane est largement utilisé dans l'aérospatiale, l'ingénierie maritime et d'autres domaines en raison de sa haute résistance, de sa légèreté et de son excellente résistance à la corrosion. Cependant, comme le titane est plus de quatre fois plus dense que l’eau, les gens n’ont jamais associé ce métal au « flottant ». Aujourd'hui, une équipe de recherche du Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT University) en Australie a réussi à créer une structure en titane capable de flotter sur l'eau et d'atteindre une flottabilité à long terme tout en conservant une résistance élevée.
L'équipe de recherche a développé une nouvelle structure appelée « métamatériau flottant métal-polymère à réseau ouvert ». Bien que le titane lui-même ait une densité d'environ 4,43 grammes par centimètre cube, ce qui est bien supérieur à la densité de l'eau douce, qui est d'environ 1 gramme par centimètre cube, les chercheurs ont modifié cette caractéristique grâce à une conception structurelle spéciale.
Afin d'obtenir l'effet flottant, les chercheurs ont utilisé la technologie d'impression 3D pour construire un squelette de treillis en alliage de titane Ti-6Al-4V, et ont conçu toutes les poutres de support qui composent le treillis dans des structures creuses. Ils ont ensuite rempli l’intérieur de ces canaux creux avec de la mousse de polyuréthane légère. La structure composite résultante conserve non seulement les propriétés mécaniques du titane métallique, mais atteint également une flottabilité stable.
Au cours de l'expérience, les chercheurs ont découvert que même si le matériau se fissurait, les pièces de connexion étaient cassées ou même une partie de la couche de treillis était endommagée dans son ensemble, elle pouvait toujours rester flottante et ne s'enfonçait pas dans l'eau.
La raison pour laquelle des matériaux présentant à la fois une résistance et une flottabilité élevées sont recherchés est qu'il existe de nombreux besoins pratiques dans le domaine de l'ingénierie maritime. Les bouées, les capteurs de surveillance offshore, les plates-formes offshore et diverses infrastructures marines doivent non seulement résister à l'impact continu des vagues, mais également résister à la corrosion de l'eau de mer et continuer à maintenir leur capacité de fonctionnement malgré les dommages.
Bien que l'acier inoxydable et les plastiques haute densité actuellement largement utilisés puissent répondre à certains besoins, ils présentent encore des limites en termes de résistance, de durabilité et de fiabilité à long terme. L'alliage de titane lui-même présente une excellente résistance à la corrosion et à la fatigue, il a donc toujours été considéré comme un matériau idéal. Cependant, sa densité naturelle élevée limite son application dans les installations flottantes.
Les chercheurs ont déclaré que dans le passé, les humains s'appuyaient principalement sur deux méthodes pour résoudre le problème de la flottaison. L'une consiste à utiliser la structure creuse du navire pour envelopper une grande quantité d'air, et l'autre consiste à ajouter des matériaux de faible densité tels que de la mousse à l'intérieur de l'équipement pour assurer la flottabilité. L’essor des structures en treillis métallique ces dernières années fournit de nouvelles idées pour résoudre ce problème.
Grâce à la technologie d'impression 3D, seule une petite quantité de métal peut être utilisée pour construire une énorme structure maillée, obtenant ainsi un rapport résistance/poids extrêmement élevé. La densité globale de certains réseaux métalliques est inférieure au dixième de celle de l’eau. Cependant, de telles structures ont longtemps été peu pratiques pour une utilisation dans les environnements marins, car leurs pores ouverts se remplissent rapidement d’eau de mer, ce qui finit par les faire couler.
La percée de l’équipe de recherche a résolu ce problème. Au lieu d’entourer tout le treillis, ils ont simplement rempli de mousse l’intérieur des poutres de support creuses en titane. Cela permet non seulement à l'eau de mer de traverser librement la structure en treillis, mais garantit également que la flottabilité globale existe pendant une longue période.
Pour évaluer plus précisément la capacité de flottaison de telles structures, les chercheurs ont également proposé une nouvelle mesure de calcul : la « densité du squelette ».
Les calculs de densité traditionnels incluront tous les espaces ouverts à l'intérieur du treillis dans la plage de volumes, mais ces espaces seront en réalité occupés par l'eau et ne contribueront pas à la flottabilité. Le nouveau concept de densité du squelette calcule uniquement les pièces qui peuvent véritablement repousser l'eau, notamment les parois en alliage de titane et les zones remplies de mousse.
Selon cette théorie, tant que la densité du squelette est inférieure à la densité du liquide environnant, l'ensemble de la structure peut toujours flotter de manière stable même si un grand nombre d'ouvertures externes laissent passer l'eau.
Les résultats des tests de performances sont également intéressants. Sous la même densité globale, la résistance de cette nouvelle structure flottante en titane est environ 70 % supérieure à celle de l'acier inoxydable ou du polyéthylène haute densité actuellement largement utilisés dans l'ingénierie maritime.
L'équipe de recherche a également effectué des tests de résistance à la corrosion en utilisant de l'eau de mer naturelle de Port Phillip, à Melbourne. Les résultats ont montré qu'après deux semaines de trempage dans l'eau de mer, l'échantillon n'a perdu qu'environ 0,15 % de sa masse, tandis que sa résistance a diminué de moins de 1 %, démontrant une excellente adaptabilité à l'environnement marin.
De plus, les échantillons expérimentaux ont flotté continuellement dans l'eau douce pendant plus de deux mois et sont restés stables pendant longtemps. Les chercheurs estiment que cela prouve que la structure possède non seulement des capacités de flottaison théoriques, mais qu'elle présente également un potentiel d'applications pratiques en ingénierie.
L'équipe de recherche a déclaré que c'était la première fois au monde qu'un métamatériau à réseau mixte métallique pouvant flotter pendant une longue période était obtenu. À l’avenir, cette technologie devrait être appliquée à long terme aux bouées offshore, aux équipements de surveillance des océans, aux installations énergétiques offshore et à divers types d’infrastructures déployées dans l’environnement marin.
À mesure que la technologie d'impression 3D et l'ingénierie avancée des matériaux continuent de se développer, ce nouveau type de « titane flottant » qui combine une résistance élevée, une résistance à la corrosion et une flottabilité soutenue devrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la conception future de l'ingénierie océanique.
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