Des chercheurs hongkongais construisent des nanocomposites pour la maintenance prédictive

Des nanocomposites sensibles aux ultrasons

Surveiller l’intégrité mécanique interne d’une structure par contrôle non destructif passe par l’utilisation de capteurs à ultrasons, tels que ceux fabriqués en Titano-Zirconate de Plomb (PZT). La multiplication des capteurs utilisés sur une même pièce est aujourd’hui limitée à cause de leur rigidité, de leurs coûts et de leur poids. Les nanocomposites développés par l’équipe de PolyU peuvent être fabriqués en grande quantité, être assemblés en réseau denses pour un coût de fabrication beaucoup plus faibles que l’utilisation de ceux en PZT.

« Ce capteur nanocomposite a ouvert la voie à la détection in situ des vibrations, ou la surveillance de la santé structurale grâce aux ultrasons, en établissant un équilibre entre le « coût de détection », c’est-à-dire le coût des capteurs et l’efficacité du capteur, c’est-à-dire le volume de donnée acquis par les capteurs », a déclaré le professeur Su.

Pour ce faire, le capteur doit être composé d’un nano-enduit conducteur (appelé charge) comme le sont les nanotubes de carbone, la fibre de carbone, le graphène ou le noir de carbone. Parmi l’ensemble de ces formes, l’équipe de PolyU a choisi d’utiliser le noir de carbone à cause de sa plus grande surface spécifique avec des nanoparticules conductrices dans une matrice de fluorure de polyvinylidène (PVDF).

La nano-échelle des charges leurs permet d’être dispersées uniformément dans les matrices polymères. La coalescence entre les polymères et les charges confère à la substance des caractéristiques attrayantes et uniques telles qu’une faible densité, une grande flexibilité, une excellente stabilité chimique et de bonnes propriétés électromécaniques.

Crédits : Elsevier a) image MEB des nanocomposites avec 6.5 % de noir de carbone/PVDF ; b) réponse électro-mécanique du nanocomposite préparé

… Compétitifs et légers

Les matières premières de ce nouveau capteur sont disponibles en grandes quantités et sont bon marché. Cela permettra de multiplier le nombre de capteurs, d’améliorer la localisation des défauts dans la structure d’un matériau.

Ces nanocomposites flexibles coûtent 20 fois moins chers que ceux utilisés actuellement dans l’industrie et ne pèse que 40 mg chacun. Ces caractéristiques permettent une gamme d’utilisation plus étendue que les capteurs classiques et s’adaptent à des formes courbes.

Le dispositif mis au point fonctionne à des fréquences allant jusqu’à 900 kHz, soit 400 fois plus que les capteurs constitués de nanocomposites actuellement disponibles. Cette caractéristique permet une utilisation sur plusieurs types de matériaux tel que les métaux et les composites. Les premiers tests montrent que les fissures de l’ordre du millimètre sont d’ores et déjà détectables.

… Intégrables en réseau

Lorsque le générateur d’ultrason émet des ondes guidées (GUW), le réseau capte la signal retour sur plusieurs capteurs répartis sur la structure. Si une anomalie apparaît dans la structure, la propagation des GUW est modifiée et provoque une modification de la résistivité du capteur liée aux propriétés piézoélectriques (induites par effet tunnel) du polymère dopé avec 6.5 % de noir de carbone. La localisation précise du défaut est ensuite déterminée par triangulation.

Pour tester leur nouveau produit, les chercheurs ont utilisé une plaque couverte par un réseau de 8 capteurs. Ensuite, une bille a été propulsé sur une zone test. En analysant et en comparant les signaux électriques converti grâce à la résistivité électrique, le réseau peut non seulement détecter un défaut mais aussi traduire les signaux reçus en images 2D avec une précision remarquable.

Crédits : Liu, M., Zeng, Z., Xu, H., Liao, Y., Zhou, L., Zhang, Z., & Su, Z. (2017). Applications of a nanocomposite-inspired in-situ broadband ultrasonic sensor to acousto-ultrasonics-based passive and active structural health monitoring. Ultrasonics, 78, 166-174

Crédits:Hong Kong Polytechnic University

Sources  :

https://www.polyu.edu.hk/web/en/media/media_releases/index_id_6429.html
https://www.polyu.edu.hk/cpa/excel/en/201707/viewpoint/v1/index.html

Zeng, Z., Liu, M., Xu, H., Liu, W., Liao, Y., Jin, H., … & Su, Z. (2016). A coatable, light-weight, fast-response nanocomposite sensor for the in situ acquisition of dynamic elastic disturbance : from structural vibration to ultrasonic waves. Smart Materials and Structures, 25(6), 065005.

Liu, M., Zeng, Z., Xu, H., Liao, Y., Zhou, L., Zhang, Z., & Su, Z. (2017). Applications of a nanocomposite-inspired in-situ broadband ultrasonic sensor to acousto-ultrasonics-based passive and active structural health monitoring. Ultrasonics, 78, 166-174

Zeng, Z., Liu, M., Xu, H., Liao, Y., Duan, F., Zhou, L. M., … & Su, Z. (2017). Ultra-broadband frequency responsive sensor based on lightweight and flexible carbon nanostructured polymeric nanocomposites. Carbon.

Rédacteur : Vincent de Brix, Chargé de mission scientifique Hong Kong

Contact : sciences (at) consulfrance-hongkong.org