Déverrouiller le « génome des matériaux » pour faire progresser la conception aérospatiale

Le mois dernier, des chercheurs de l'École d'ingénierie aérospatiale, mécanique et mécatronique de l'Université de Sydney ont découvert une méthode de microscopie permettant de découvrir les relations atomiques au sein de matériaux cristallins tels que les aciers avancés et le silicium personnalisé.

The aerospace industry is constantly striving to improve efficiency, performance, and safety while reducing carbon emissions and maintaining sustainability. In recent years, several technological advancements have expanded the capabilities of air travel both within the Earth's atmosphere as well as outside it. This includes advanced satellite technology for communications, additive manufacturing for lightweight components, electric propulsion for reduced emissions and reduced costs, supersonic flight for faster travel, and artificial intelligence and machine learning for enhanced operational efficiency.

L'industrie aérospatiale s'efforce constamment d'améliorer l'efficacité, les performances et la sécurité tout en réduisant les émissions de carbone et en maintenant la durabilité. Ces dernières années, plusieurs progrès technologiques ont élargi les capacités du transport aérien, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur de l'atmosphère terrestre. Cela comprend une technologie satellitaire avancée pour les communications, la fabrication additive de composants légers, la propulsion électrique pour réduire les émissions et les coûts, le vol supersonique pour des voyages plus rapides, ainsi que l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique pour une efficacité opérationnelle améliorée.

Aerospace focuses on advanced materials with very specific properties. Systems usually involve different kinds of materials, ranging from ceramic thermal to carbon fiber and Titanium, which are used for myriad purposes to optimize performance.

L'aérospatiale se concentre sur des matériaux avancés aux propriétés très spécifiques. Les systèmes impliquent généralement différents types de matériaux, allant de la céramique thermique à la fibre de carbone et au titane, qui sont utilisés à de multiples fins pour optimiser les performances.

The research in this area aims to develop multifunctional materials, which means materials that have not only structural functions but can also offer other features like active cooling. To bring advanced aerospace concepts to life, materials must be more durable, lightweight, and cost-effective than ever before. 

La recherche dans ce domaine vise à développer des matériaux multifonctionnels, c'est-à-dire des matériaux qui ont non seulement des fonctions structurelles mais peuvent également offrir d'autres fonctionnalités comme le refroidissement actif. Pour donner vie aux concepts aérospatiaux avancés, les matériaux doivent être plus durables, plus légers et plus rentables que jamais.

As the aerospace industry continues to progress, let's examine the latest groundbreaking innovations that will take it even further.

Alors que l’industrie aérospatiale continue de progresser, examinons les dernières innovations révolutionnaires qui la mèneront encore plus loin.

Unveiling the ‘Materials Genome' to Advance Design

Dévoilement du « génome des matériaux » pour faire progresser la conception

Last month, researchers from the University of Sydney's School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering discovered a microscopy method for unraveling atomic relationships within crystalline materials such as advanced steels and custom silicon.

Le mois dernier, des chercheurs de l'École d'ingénierie aérospatiale, mécanique et mécatronique de l'Université de Sydney ont découvert une méthode de microscopie permettant de découvrir les relations atomiques au sein de matériaux cristallins tels que les aciers avancés et le silicium personnalisé.

This means that researchers can detect even minute changes in the atomic-level architecture of these materials, enhancing our understanding of the fundamental origins of their properties and behavior. This knowledge will enable the development of advanced semiconductors for electronics and lighter, stronger alloys for the aerospace sector.

Cela signifie que les chercheurs peuvent détecter même des changements infimes dans l’architecture atomique de ces matériaux, améliorant ainsi notre compréhension des origines fondamentales de leurs propriétés et de leur comportement. Ces connaissances permettront le développement de semi-conducteurs avancés pour l’électronique et d’alliages plus légers et plus résistants pour le secteur aérospatial.

For this, researchers used atom probe tomography (APT), a technique that visualizes atoms in three dimensions (3D), to unpack the complexity of short-range order (SRO). SRO is a quantitative measure of the relative tendency for a material's constituent elements to deviate from a random distribution. Understanding the local atomic environments is essential for creating innovative materials.

Pour cela, les chercheurs ont utilisé la tomographie par sonde atomique (APT), une technique qui visualise les atomes en trois dimensions (3D), pour comprendre la complexité de l'ordre à courte portée (SRO). Le SRO est une mesure quantitative de la tendance relative des éléments constitutifs d'un matériau à s'écarter d'une distribution aléatoire. Comprendre les environnements atomiques locaux est essentiel pour créer des matériaux innovants.

By quantifying the non-randomness of neighborhood relationships at the atomic scale within the crystal in detail, SRO opens up “vast possibilities for materials that are custom-designed, atom-by-atom, with specific neighborhood arrangements to achieve desired properties like strength,” said the study lead, Professor Simon Ringer, who is the Pro-Vice-Chancellor (Research Infrastructure) at the University of Sydney.

En quantifiant en détail le caractère non aléatoire des relations de voisinage à l'échelle atomique au sein du cristal, SRO ouvre « de vastes possibilités pour les matériaux conçus sur mesure, atome par atome, avec des arrangements de voisinage spécifiques pour obtenir les propriétés souhaitées telles que la résistance, " a déclaré le responsable de l'étude, le professeur Simon Ringer, qui est vice-chancelier (infrastructure de recherche) à l'Université de Sydney.

Sometimes referred to as the ‘materials genome,' SRO has been a challenge to measure and quantify. This is because atomic arrangements occur at such a small scale that you can't see them with conventional microscopy techniques.

Parfois appelé « génome matériel », le SRO a été un défi à mesurer et à quantifier. En effet, les arrangements atomiques se produisent à une si petite échelle qu’il est impossible de les observer avec les techniques de microscopie conventionnelles.

So, the team of researchers developed a new method using APT that overcomes these challenges, making it “a significant breakthrough in materials science,” said Ringer, a materials engineer at AMME. 

Ainsi, l’équipe de chercheurs a développé une nouvelle méthode utilisant l’APT qui surmonte ces défis, ce qui en fait « une avancée significative dans la science des matériaux », a déclaré Ringer, ingénieur en matériaux à l’AMME.

The study's focus has been on high-entropy alloys (HEAs), a heavily researched area due to their potential for use in situations that require high-temperature strength, including jet engines and power plants.

L'étude s'est concentrée sur les alliages à haute entropie (HEA), un domaine très étudié en raison de leur potentiel d'utilisation dans des situations nécessitant une résistance à haute température, notamment les moteurs à réaction et les centrales électriques.

Using advanced data science techniques and drawing on data from APT, the researchers observed and measured SRO. They were then able to compare how SRO changes in a high-entropy alloy of cobalt, chrome, and nickel under different heat treatments.

En utilisant des techniques avancées de science des données et en s’appuyant sur les données de l’APT, les chercheurs ont observé et mesuré le SRO. Ils ont ensuite pu comparer l’évolution du SRO dans un alliage à haute entropie de cobalt, de chrome et de nickel soumis à différents traitements thermiques.

According to Dr Andrew Breen, a senior postdoctoral fellow:

Selon le Dr Andrew Breen, chercheur postdoctoral principal :

“(The study has produced a) sensitivity analysis that bounds the precise range of circumstances whereby such measurements are valid and where they are not valid.”

"(L'étude a produit une) analyse de sensibilité qui délimite l'éventail précis de circonstances dans lesquelles de telles mesures sont valides et dans lesquelles elles ne le sont pas."

By measuring and understanding SRO, this study could also help transform approaches to materials design and show just how “small changes at the atomic level architecture can lead to giant leaps in materials performance,” said Dr. Mengwei He, a postdoc research fellow in the School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

En mesurant et en comprenant le SRO, cette étude pourrait également contribuer à transformer les approches de conception des matériaux et montrer comment « de petits changements au niveau de l'architecture au niveau atomique peuvent conduire à des pas de géant dans la performance des matériaux », a déclaré le Dr Mengwei He, chercheur postdoctoral au École de génie aérospatial, mécanique et mécatronique.

Moreover, by providing a blueprint at the microscopic level, the study enhances a researcher's capabilities to computationally simulate, model, and then predict materials behavior. It can further act as a template for future studies in which SRO controls critical material properties. 

De plus, en fournissant un modèle au niveau microscopique, l'étude améliore les capacités d'un chercheur à simuler, modéliser et prédire informatiquement le comportement des matériaux. Il peut en outre servir de modèle pour de futures études dans lesquelles SRO contrôle les propriétés critiques des matériaux.

A Revolutionary Material to Enable Hypersonic Flight

Un matériau révolutionnaire pour permettre le vol hypersonique

There is a lot of interest in achieving sustained flight at hypersonic speeds, but technical challenges remain. These include managing extreme heat, developing materials that can withstand stress, extreme temperatures, and oxidation without compromising performance, and creating propulsion systems that can operate efficiently at high speeds and altitudes. 

Il existe un grand intérêt pour la réalisation de vols soutenus à des vitesses hypersoniques, mais des défis techniques subsistent. Il s’agit notamment de gérer la chaleur extrême, de développer des matériaux capables de résister aux contraintes, aux températures extrêmes et à l’oxydation sans compromettre les performances, et de créer des systèmes de propulsion capables de fonctionner efficacement à des vitesses et à des altitudes élevées.

As researchers try to find solutions to these problems, scientists from Guangzhou University School of Materials Science and Engineering reported a breakthrough in hypersonic heat shields earlier this year.

Alors que les chercheurs tentent de trouver des solutions à ces problèmes, des scientifiques de l’École de science et d’ingénierie des matériaux de l’Université de Guangzhou ont signalé une percée dans le domaine des boucliers thermiques hypersoniques plus tôt cette année.

In what could be a game changer for hypersonic flight, the scientists developed a new material, porous ceramic, that provides “exceptional thermal stability” and “ultrahigh compressive strength.” 

Dans ce qui pourrait changer la donne pour le vol hypersonique, les scientifiques ont développé un nouveau matériau, la céramique poreuse, qui offre une « stabilité thermique exceptionnelle » et une « résistance à la compression ultra élevée ».

This has been achieved using a multi-scale structure design, which the scientists say has been done for the very first time. Moreover, the quick fabrication of this high-entropy ceramics opens the door to wider exploration in the sectors of aerospace, chemical engineering, and energy production and transfer.

Ceci a été réalisé grâce à une conception de structure à plusieurs échelles, ce qui, selon les scientifiques, est réalisé pour la toute première fois. De plus, la fabrication rapide de cette céramique à haute entropie ouvre la porte à une exploration plus large dans les secteurs de l’aérospatiale, du génie chimique ainsi que de la production et du transfert d’énergie.

The researchers said the ceramics were fabricated through “an ultrafast high-temperature synthesis technique

Les chercheurs ont déclaré que les céramiques avaient été fabriquées grâce à « une technique de synthèse ultrarapide à haute température ».