Association de la rigidité d’un Métal et des propriétés exceptionnelles de résistance aux impacts du UHMWPE par frittage flash – ARMURES

Un matériau doté d'une forte rigidité, d'une grande ductilité et résistant aux impacts est une sorte de "graal" en science des matériaux. Dans ce projet, nous proposons un moyen d'atteindre cet objectif en combinant les propriétés exceptionnelles de résistance à l'impact et à l'usure du polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (UHMWPE) avec la rigidité du métal. Ces approches composites sont souvent confrontées à des problèmes de mise en forme tels que la température du procédé. Dans le projet ARMURES, nous proposons de surmonter ces difficultés en utilisant des approches de frittage ultra-rapide. Le choix du UHMWPE est essentiellement motivé par ses propriétés exceptionnelles de résilience, mais il présente une rigidité relativement faible (moins de 1 GPa) en raison de sa cristallinité moyenne, ce qui justifie un renforcement métallique. Le choix d'un métal est motivé par sa forte rigidité mais aussi par le fait qu'il permet une déformation plastique.
Le but du projet est de développer de nouveaux composites constitués d'un double réseau polymère/métal, co-continu ou non, par frittage flash afin d'explorer un très large spectre ductilité/rigidité. Par ailleurs, le développement du frittage flash de l'UHMWPE est également lié à des questions scientifiques fondamentales telles que les mécanismes de diffusion des très longues chaînes, notamment par « l’explosion à la fusion ».
La stratégie choisie consiste à partir des deux situations extrêmes suivantes :
- Des micro ou nano particules métalliques dispersées dans une poudre d'UHMWPE. Les particules métalliques (ferromagnétiques) permettront le chauffage par induction, et donc le frittage de l'UHMWPE dans des délais très courts, et renforceront le matériau. La relation processus/microstructure/propriétés sera évaluée de manière préliminaire à température ambiante, puis au-dessus de la température de fusion de l'UHMWPE. Cette analyse, couplée à la modélisation par dynamique moléculaire, permettra d'avancer dans la compréhension des mécanismes d'explosion de la fusion qui sont les principaux mécanismes supposés pour le frittage de la poudre native d'UHMWPE.
- Une fabrication préliminaire de matériaux métalliques architecturés qui seront ensuite remplis de poudre d'UHMWPE. Le matériau métallique sera ainsi le vecteur du chauffage par effet Joules ou induction de la poudre d'UHMWPE permettant le frittage. Ces composites seront donc co-continus avec une microstructure relativement bien contrôlée. Ces composites seront largement analysés en termes de relations structure propriétés.
Par ailleurs, la possibilité de fusionner les avantages des deux stratégies précédentes sera évaluée en essayant de fritter simultanément des métaux à bas point de fusion et l’UHMWPE. Cette tentative, si elle fonctionne, sera le premier frittage métal/polymère réalisé en une seule étape.
Enfin, les meilleurs composites obtenus seront évalués notamment en termes de résistance à la cavitation hydrodynamique en vue d'applications telles que les pales d'hélices navales ou de pompes.