Upload
others
View
10
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Daniel Therriault, ing., Ph.D.
Professeur adjointDépartement de génie mécanique
28 FÉVRIER 2006
Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques
inspirés du corps humain
2
Parcours et formation• Génie mécanique (Polytechnique), orientation en technologies spatiales
Stage 97-98: Groupe d’analyse thermiqueÉté 96: Tribologie 1996: Échange
• M.Ing. Génie aérospatial (Polytechnique), Structures et matériaux
Stage 99 : Groupe matériaux avancésÉté 97: Viscoélasticité
Canadian SpaceAgency
• Ph.D. Génie aérospatial ( )University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC)
1999–2000:
Pont en composites
2000–2003:
Microtechnologie
3
Matériaux auto-réparateurs
• Problématique– Les polymères sont utilisés dans une grande gamme d’applications.
– Lors de chargements, ces matériaux sont susceptibles à la propagation de fissures (ou création de fissures).
– Ces fissures peuvent mener à la rupture mécanique ou électrique de l’appareil.
– Ces fissures sont difficiles à détecter et à réparer.
Matériaux composites de haute performance
Boîtier d’appareil Assemblage de composantes électroniques
4
Matériaux auto-réparateurs
a) Un agent réparateur (colle) est encapsulé à l’intérieur de microcapsules dispersées dans un polymère contenant un catalyseur.
b) Après l’endommagement du polymère, une microfissure se forme et brise les microcapsules relâchant l’agent réparateur.
c) La polymérisation se produit lors de la rencontre entre l’agent réparateur et le catalyseur.
White et al., Nature (2001)
Concept
5
Réseau de polymères branchés
RuPh
H
PCy3
PCy3
Cl
ClCatalyseur
Agent réparateur
Matériaux auto-réparateurs: Concept
Polymère (époxie)
6
X+Y
-(X-Y)n -
Parois de la capsule
Polymère(époxie)
Intérieur de la capsule
Matériaux auto-réparateurs: Microcapsules
Polymérisation de la capsule
Micro-encapsulation de l’agent réparateur
Image d’une microcapsule brisée prise par microscope SEM(White, Nature 2001)
7
0.25 mm
• Séquence d’images vidéo montrant la rupture et la propagation de l’agent réparateur
• Une encre rouge a été ajoutée pour visualisation
• Temps écoulé entre chaque image (~ 1/15 s)
Matériaux auto-réparateurs
Transport de l’agent réparateur
8
0
50
100
150
200
250
0 200 400 600 800 1000
Load
(N
)
Displacement (µm)
self-healed
virgin
neat epoxy
injected DCPD
Échantillon pour test mécanique (White, Nature 2001)
Récupération jusqu’à 90% de la ténacité initiale du matériau
Matériaux auto-réparateurs
Efficacité de la réparation
Déplacement (µm)
Forc
e (N
)Initial
Auto-réparé
9
��������� ����� ���� �� ��� �� ���� �����
� ��� � � � ������� � ����� ��� �! "���#� ���$���� � ��� %�����%�� &��'�'��� � �� � (�)&*� ��
%������ ��� �+&���,�� ����� ���� �� ��� -��-. �����
/*�*� � 0 � 1����� 2 � 3�( �&� �! 4��� ���)5�����6�)7����)"�*, �+&���,�� ����8 &���� �! ��8*
$��� � &����%�� '� �& �%�� &���,� ��% ��(� %��9������ ����� ���� �� ��� ������� �����
� :�&� ��� 5 7� 7��� �� ; < � �(���� 5 2 � ����� ��� �! "���#� ���$���� � �9�� 6, �! �& �%�� ='��
����� ���� �� ��� ��.���> ��� �
. ?(�� � 5 <� �� ��� ?� @���!�� ��� 0 � ������8��� 1 3�( *�8*)�� ���� � ����%� �! &������� ���)
�� ��8��� &*� �� &���� ����� ���� �� ��� ..�� . ���-�
:� ��� @� "������� ;� �'������ 0 � <����� 3 ����� ��� �! "��� ���$���� ��� '� &*� ��� ,��� *��
� 6, �&�� ����� ���� �� �� .->.�.->> �����
- @��*�� < � �� ����� ��� �! "���#� ���$���� � ����� � ��% 4��� ��� ��%��� � %���� ���� ����� ���� ��
�� -�.��-� . �����
> 1�&�% � 1 "���#� ���$���� � �� A ,��� ����� *�� �9�� ���� ��� ����� �����
� <����� 3 � �'������ 0 "��� ���$���� � ��� *� ��%��� � ���&*���A �% �9� 9����� &����9� �(� %*�� �����
�� � ��� �.��� �����
� ��� : ? � /*�,���� 1 5��&���� ,���%���� �� �! ��%�� *�����)9����'�� *������ ����� ���� � ��
.��.�.�� ����
� ?(�� � 5 <� 4'��*���� 5 0� / ���'��8� 1 � � 2*���� 7 � 5��&���� !�� � ���&*���)!��� "���
���$���� � �+&���,�� ����� ���� � ��� .����.��� ��� �
�� 0���8�� / B� B������� � � /�� ��� 4 ���&*���)!��� �� �! *� "��� ���$���� � ����� ���� � ��� -����
-� ���-�
� B��� 4 /� @�� *��� : � ��� / 5��&���� !�� � ���&*��� !��� �� �! *� "��� ���$���� ��� ����� ���� � ��
.�� .�- ���-�
�� B���'��8��� �� 1��9���� 5 ?� 0����� � 1 � /*�,���� 1 5��&���� �� �! "���#� ���$���� � (� *�� �
�� �% ��� ���&*��� '� ����8 �� ��8��� 7��'��8 � �,� ����� ���� � ��� �.��� ���>�
�. "��!� 2 � ����� 1 :�� ��8 "���#� ���$���� � (� * (�)��9�� � �,� 9�� &�&��� ��� �&�% ���%�&�
��������� �� ��� �� ������
� "��8�� 1� ������ @ ; � ?��8* � 5 � 1 "���#� ���$���� � �� (� * �� ��8��� � �,� ����� ���� � ��
�-���)��-���)� ������
�- ��,�*�)7�%* �� � � �� �8� @ C��� �, ,�%*���%� ��� *����� 9����'���A � �� �! "���#� ���$���� �
'� *� ,������,�� �! *� �&�� %������ ��� �� ��()����8� &�� ���&�� �� �%� ����8 ����� ���� � ���
�- .��--- ���>�
�> 0�8���� 4 � �� <����� ��� �! 4��� ���)5�����6�)7���� &���� �! � �,� ����� ���� �� ��� �- �����
�� /�%6� � 2 1 � �� 4+&���,�� �� �� ��8��,�� �! !��� &�� �%��� ���� ���� �->��-� ������
�� B���,��� 7 5� ������� B � � 0���(�� *� 7 @ <��,� ��%�� ��&����� � ��� �! *� /%*��D���8��
�$�� ��� !�� ���9��8 ,���� &��'��,� �� ����� ����� � ��-� ��-��
�� 7�%* ��� : 2��&��� �9� �������%� E�����%��%� !��, (� � �,� �+&�����%��8 ��!!���� ���9��8 =����
����� ��� ��� �>����� ���.�
.� 4�%*,���� F � �� ����8#� �� ��!����%� �+&���,�� (� * ��8* �%� ���� !��, (� � �,� ����� ����
�� ��� �.-���.>� ���.�
�������������
@� *��6 1 "��)?��*� ; "�����8��� ; "�� ��� 3 <����� 5 ?��8* � 5 ?(�� ��� G 5��%�9��!�� ���!�� ���%������� ��� %�,,�� � �� *� ,����%��& :*�� (��6 (�� ��&&�� �� '� *�F/ 3� ����� /�%��� � 18��%� �3/1� ��� *� 1�9��%�� 7�����%* ��� H�9���&,�� 1% �9� � �17H1�� *� F/ �!=%� �! 3�9�� 7�����%*� ��� *� F/ 1�,� 7�����%* �!=%� :*��&�&�� �� � %�� ��'� ��� �! *� 3� ����� G�� � � � �! / ������� ��� :�%*����8� ��� �� �� ��'I�% � F/ %�&���8*
2�����&�����%� ��� ��$��� � !�� ,� ������ �*���� '� ��������� � H;@��),���A ��9��(�������J'��������� 8�9�
������� �� �����
�� 31:F74 K ��� �� K - B4"7F17� ��� K (((�� ���%�,
��������� ���� �������� ����������� �� ���L� �� �� ������M� �� �� �����L� �� �� ����N� �� �� �����M��� �� ������N� � �� !��"�M # �� $��"������L
L�������� �� ����������� ��� ����������� ������������ M��������
�� ���������� ��� ������� ��������� N�������� �� !�������� "�������� ��
#������� � "�$���%!��������� "�$���� #������� &'()'� "*�
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������� �������� ��� ����������� �� ������ �� ��� ��� � ����!�� "���� ��� ���� "����� ��� ��������� "���� ��������� ���� #���� ��� ������ �� ������ ����������� $���!��� ����� ������������ ������������%� � #���&���� ����� ������� ���&�������' �� ��������������� ��������� ���������� �� ��� �������� �� ���������� �������� (��������!��� ������� �� ���������� ���������� ������ �� ���� � ����&�������� ������� �� ����&��� ������)���� *��������� � ��� ������������ ���� ����!� ��)� ����� "����� ��������� ���������� ��� ��������� � ��� ����������� �����#������ ������������ +,��������� �,������� ��� �������� ��� &������ ��)� ���� ���)������ ���������%� ��� ��� ����������� �� ����!&������� ������� ���� ��)� ���� �������� �� ��
��-���� ���� ��� � ������ �����)��������%�� .��� "� ������ ����������� ��������� �������� "��� ��� ������� �� ����������������� ����!�� /�� �������� ������������ � ����������������� ����&��� ����� ���� �� �������� ���� ����! ���������� 0�������1����� � ��� ������� ����� �� ���� ��������� �� ������� "��� �� ����������������� ������� ��� ����! ����� 2�� ������� �,��������� ������� ���� �� ��3 ����)��� �� ���������� ��� "� �,���� ���� ����������� "��� �� ���������� �� ����� ������� ��������� �������4��������� �������� ��� �������5�
B�8��� ����� �� �� ��� �� ���,�% *�����8 %��%�& 0�����8 ���%%�,&���*�� '� ��%��&��� ��8 � ,�%����%�&���� �� *�����8 �8�� ��� � %� ��� �% %*�,�%�� ��88�� (� *�� �� �&�+� ,� ��+ 1��&&���%*��8 %��%6 ��& ���� �,'����� ,�%��%�&������ ��������8*�����8 �8�� �� � *� %��%6 &���� *���8* %�&������ �% ��� 5���),����� ��� �! *� *�����8 �8�� �� ��88���� '� %�� �% (� * *��,'����� %� ���� � '�����8 *� %��%6 !�%�� :*� ��,�8�)����%�� ��88����8 ,�%*����, &��9���� �� �)�&�%�=% �� ���,�% %�� ��� �!��&��� 1� ���� ����� ���$�� !�� ��� �! ��� *�����8 %��%�& �� *� ����! ��9��8 � *� ��� *�9��8 �� ��,��� �� %*���)����� &���,����� ���%� ���� �� *�� ���'���8 ,�� �&�� *�����8 �9�� � 4�8�������8 *�����!)*�����8 %�,&��� � ��9��9�� *� %*�����8� �! %�,'����8 &���,���%���%�� �+&���,�� �� ��� ����� �%�� ,�%*���%�� ��� %�,&��� ��&��%�����8 &���%�&���
@� '�8�� '� ��������8 *� �!!�% � �! ,�%��%�&���� 8��,� ����� &��&�� ��� �� *� ,�%*���%�� ��88����8 &��%��� B�� �+�,&���%�&���� (���� *� ��� �� *�%6 (��� �� ��& ��� (*�� *� %��%6�&&���%*��� (*����� %�&����� (� * 9��� *�� (���� (��� '���6 �����8&��%�����8 � *�� ����9�� ����8� &���,� ��� ��� *� ��8*���� ��� *� ���� �9� � �!!���� �! *� ,�%��%�&������ ��� *� � ���8 * �! *� �� ��!�%� '� (��� *� ,�%��%�&���� ��� *� ,� ��+ ��%��),�%*���%�� ,�������8 (� * *� ��� �! *� 4�*��'������ �$��9���� ��%������ ,� *��� *�� '��� ���� � � ��� 9������ ��&�% � �! *�%�,&��+ *���)��,�������� �� ���% ��� '� (��� � %��%6 ��� �,�%��%�&���� 1� ����� �� �9� ����� !��, *��� � ����� �� &����� ���� B�8 ��� (*�%* �*�(� *� �!!�% �! *� ���� �9� � �!!���� �! *�,�%��%�&���� �� *� &��&�8� ��� &� * �! �� �&&���%*��8 %��%6:*� %��%6� *� �&*��� ��� *� ����������8 ,� ��+ ��� ��'I�% �� �� !��)=��� ������ ������8� ��� &��&����%���� � *� %��%6 &����
Catalyst
Polymerizedhealing agent
Healing agent
Microcapsule
Crack
a
b
c
����� � ��� ������� ����� �������� � ��������������� ����� � ��� �
������� � � ���������� ������� ���� ������� � �������� ������� �� ��������
��� ����� � ���� �� ������ ��� � ��� ���� �������� ��� � ������� �� ��� �����
�������� ��� ������������ ������� ��� ����� � ��� ��� ��� ����� ����� ����� �
�������� ������ �� ��� ����� � ��� �������� ��� ��������� �� ��� ����������� ����
����� ��� ����� ����� �������
© 2001 Macmillan Magazines Ltd
ABC News NBC NewsAP New ScientistBBC World Service New York TimesBoston Globe NPR Morning EditionC&E News Popular ScienceCanadian (BC) Radio Reuters News ServiceCBC RTL (Germany) TVCBS News Science & Avenir (France)Chicago Sun TImes Science NewsChicago Tribune Seattle TimesDaily Herald Svenska Dagbadet (Sweden)Dallas Morning News The Financial TimesDe NRC (Dutch) The GuardianDiscovery Channel UPIDow Jones Newswires USA TodayLondon Independent Voice of AmericaMSNBC Washington PostNational Geographic Wired Magazine
Liste partielle de la couverture:
Matériaux auto-réparateurs dans les médias
10
But à long terme?
Avant Après*
* Images tirées du film Terminator 2
Matériaux auto-réparateurs
11
• Deuxième génération de matériaux auto-réparateurs– Transport continuel de l’agent réparateur afin d’obtenir une
réparation répétitive
• But– Reproduction d’un réseau
microvasculaire à l’intérieur d’un matériau structural
• Caractéristiques du réseau– Résolution du micromètre, nombreuses
inter connectivités, large réseau 3D, section circulaire des canaux
Système circulatoire humain**Images tirées des sites www.innerbody.com et Microangela
Réseau capillaire*
White et al., Nature (2001)100 µm
Microcapsules aux canaux
Matériaux auto-réparateurs