MATERIAUX AUXETIQUES
Gérard GOMEZ
Plan de l'étude
2) Principe du
comportement d'un matériau auxétique
3) Matériau
auxétique et structure auxétique
4) Applications
Considérons
un fil de caoutchouc et étirons le ; sa longueur augmente mais son épaisseur
diminue :
Ces
deux déformations sont proportionnelles et le coefficient de proportionnalité
s'appelle le coefficient de Poisson (ν) :
Ce
coefficient en général compris entre 0 et 0,5 est souvent voisin de 0,3 ; ce
qui veut dire que la déformation relative du matériau, en épaisseur, est
environ un tiers de la déformation relative en longueur.
Il arrive
que le coefficient de Poisson soit négatif ; cela signifie que le matériau a
une épaisseur qui augmente lorsqu'on l'étire.
On dit
alors que le matériau est auxétique.
Remarque :
Il faut
noter que si on exerce sur un matériau auxétique un effort de compression
suivant la longueur (diminution de la longueur), l'épaisseur diminue au lieu
d'augmenter comme cela serait le cas pour un matériau à coefficient de Poisson
positif.
2)
Principe du comportement d'un matériau auxétique
On peut
observer le principe du comportement d'un matériau auxétique (coefficient de
Poisson négatif) en construisant une structure en nid d'abeille inversée :
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Il
existe beaucoup de structures ayant ce type de comportement ; par exemple celle
donnée ci-dessous :
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Avant
étirement |
Après
étirement |
un
étirement horizontal entraîne un étirement vertical ; dans ce cas le
coefficient de Poisson est égal à -1, le carré de départ engendrant
sensiblement un carré après déformation.
3)
Matériau auxétique et structure auxétique
Cette
propriété a été observée
- Dans certains cristaux naturels
comme la pyrite de fer, les cristaux d'arsenic ou de cadmium.
- Dans certains métaux comme le
cuivre (et quelques autres cubiques à faces centrées) et plus de la moitié des
métaux à structure cubique centrée deviennent auxétiques s'ils sont sollicités
suivant la direction cristallographique.
- Dans certains tissus biologiques,
c'est le cas des peaux de chat, des peaux de trayons de vache, mais aussi des
tendons humains en raison de leur microstructure fibrillaire.
C'est à
leur structure microscopique que ces matériaux la doivent.
On peut
synthétiser des matériaux auxétiques sous forme de mousses en matériaux
thermoplastiques (polystyrène ou PVC) ou thermodurcissables (époxy,
polyuréthanes, caoutchoucs, silicones) ou bien sous forme de fibres utilisées
dans des matériaux composites.
On
s'aperçoit que dans tous ces cas les matériaux ont une structure macroscopique
composée de figures géométriques qui comme celles indiquées plus haut se
déplient radialement quand une traction est exercée longitudinalement.
C'est
alors, le type de traitement qu'a subi la matière pour les obtenir qui leur
confère cette propriété.
Ces
matériaux peuvent absorber de l'énergie assez facilement et donc amortir les
chocs et résister à la fracture.
Ils
sont surtout utilisés comme antichocs (emballages, gilets pare-balles,
protège-genoux ….).
Ils
peuvent servir également à absorber des sons et donc à améliorer des propriétés
acoustiques.
Dans le
domaine médical ils servent à fabriquer des prothèses ou des implants.
Ils ont
également quelques applications piézoélectriques.