Une nouvelle méthode révolutionne la fabrication céramique et simplifie la production de structures cellulaires complexes

ParisDes chercheurs de l'École d'ingénierie de l'Université des Sciences et Technologies de Hong Kong (HKUST) ont découvert une méthode plus simple pour fabriquer des céramiques cellulaires. Dirigée par le Professeur Associé Yang Zhengbao du Département de Génie Mécanique et Aérospatial, cette nouvelle approche résout les problèmes posés par la fabrication additive traditionnelle. Baptisée stratégie de traitement en deux étapes assistée par tension de surface (STATS), cette innovation pourrait transformer les industries utilisant des matériaux céramiques, notamment dans les domaines de l'énergie, de l'électronique et de la biomédecine.

La technique STATS implique deux étapes principales :

• Préparation de réseaux organiques cellulaires à l'aide de la fabrication additive pour créer des configurations de base.
• Remplissage de ces réseaux avec une solution précurseur contenant les éléments nécessaires.

L'équipe a dû relever un défi majeur pour maîtriser la forme du liquide dans la structure en treillis. En utilisant la tension superficielle, ils ont réussi à maintenir le liquide en place à l'intérieur de la structure. Cela leur a permis de contrôler avec précision la forme du liquide, aboutissant à des processus de fabrication très précis.

Les chercheurs ont perfectionné la conception des céramiques cellulaires par des études théoriques et expérimentales. Ils ont minutieusement analysé les détails géométriques des réseaux constitués de cellules unitaires et de colonnes afin de créer des interfaces fluidiques en 3D. Cela a conduit à la mise au point de céramiques cellulaires présentant diverses tailles de cellules, formes, densités, structures et matériaux. En séparant le processus de fabrication des ingrédients de celui de construction de la structure, cette méthode est devenue très programmable.

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Le processus innovant présente plusieurs avantages. Contrairement aux méthodes traditionnelles de fabrication de céramiques qui peinent à équilibrer porosité et résistance mécanique, la technique STATS crée des structures globalement poreuses mais renforcées à des endroits précis. Cette meilleure structure améliore les performances des piézocéramiques cellulaires. Les chercheurs ont atteint une constante piézoélectrique élevée, d'environ 200 pC N-1, tout en maintenant une porosité globale de plus de 90 %, ce qui constitue une avancée majeure par rapport aux méthodes actuelles.

Inspirée par les diatomées, des algues unicellulaires connues pour leurs parois cellulaires en silice complexes, cette stratégie imite la précision de la nature dans la création de structures élaborées. Les implications sont vastes, avec des applications potentielles dans des domaines tels que :

• Filtres
• Capteurs
• Actionneurs
• Robotiques
• Électrodes de batteries
• Panneaux solaires
• Dispositifs bactéricides

Cette nouvelle approche s'aligne avec les tendances actuelles en ingénierie des matériaux, combinant le traitement des surfaces avec des techniques de fabrication innovantes. La stratégie STATS pourrait contribuer à la création de nouvelles structures matérielles et de systèmes intelligents, favorisant des avancées dans de nombreux domaines technologiques. Le professeur Yang a souligné que cette méthode non seulement résout des problèmes liés aux techniques traditionnelles, mais offre également de nouvelles possibilités pour concevoir des structures céramiques complexes. À l'avenir, cette approche pourrait aboutir à la fabrication de dispositifs plus avancés et plus efficients.