Radiographier rapidement et précisément des matériaux composites renforcés de fibres

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Matias Kagias (à gauche) et Marco Stampanoni devant l’appareillage avec le

Matias Kagias (à gauche) et Marco Stampanoni devant l’appareillage avec lequel ils ont analysé les composites en recourant à la nouvelle méthode radiologique qu’ils ont développée. Tous les deux tiennent une pièce radiographiée de cette manière. (Photo: Institut Paul Scherrer/Mahir Dzambegovic)

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont mis au point une méthode de diffusion des rayons X aux petits angles qui peut être utilisée pour le développement ou le contrôle qualité de matériaux composites novateurs renforcés de fibres. Grâce à elle, les analyses de ces matériaux pourraient se faire à l’avenir non seulement par recours aux rayons X issus de sources puissantes comme la Source de Lumière Suisse SLS, mais aussi avec le rayonnement issu de tubes à rayons X conventionnels. Les chercheurs viennent de publier leurs résultats dans la revue spécialisée Nature Communications.

A la fois légers et stables, les matériaux composites novateurs renforcés de fibres de carbone revêtent une importance croissante, à l’instar des plastiques renforcés de fibres de carbone (CFK) qui sont utilisés, par exemple, dans l’aéronautique ainsi que dans la construction de voitures de Formule 1 et de vélos de course. Les propriétés de ces matériaux dépendent largement de la manière dont les fibres sont orientées et s’agencent dans le matériau environnant. Ces caractéristiques influencent notamment le comportement mécanique, optique et électromagnétique des composites.

Si l’on veut pouvoir observer la composition de ce genre de matériaux composites, il faut impérativement pouvoir les scruter à l’intérieur. Pour ce faire, il est possible de recourir à ce qu’on appelle la diffusion des rayons X aux petits angles (small angle X-ray scattering (SAXS) en anglais) et d’exploiter le fait que les rayons X se diffractent lorsqu’ils traversent la matière. Le diagramme de diffraction que l’on obtient ainsi permet de recueillir des informations sur l’intérieur de l’échantillon et éventuellement sur l’orientation des fibres. Mais les méthodes conventionnelles de SAXS ont l’inconvénient d’être très lentes: radiographier en continu quelques centimètres d’échantillon avec la résolution nécessaire peut en effet prendre plusieurs heures.

Observer le nouage d’un ruban en fibre de carbone

Avec leurs collègues de l’EPFL et de la spin-off danoise Xnovo Technology, des chercheurs du PSI et de l’ETH Zurich ont à présent réussi à perfectionner cette technologie pour l’application dans la pratique. «Avec ce développement, il devient possible d’identifier au moyen d’une seule radiographie plusieurs diagrammes de diffraction locaux qui reflètent la structure spatiale interne d’un échantillon, ce qui nous permet de réaliser un grande nombre d’images successives», explique Matias Kagias, inventeur de la méthode et postdoc au PSI dans le groupe de recherche Tomographie par rayons X, placé sous la direction de Marco Stampanoni. Pour prouver le principe de fonctionnement, les chercheurs ont utilisé la nouvelle méthode pour visualiser l’orientation des fibres dans un ruban en fibre de carbone pendant le processus de nouage. Ils ont réalisé des radiographies par projection résolues en temps avec 25 images par seconde, pendant un laps de temps de 11 secondes.

Des applications envisageables dans le domaine de la médecine ou de la sécurité intérieure

La nouvelle méthode ne fonctionne pas seulement avec des rayons X issus d’accélérateurs comme la Source de Lumière Suisse SLS, mais aussi avec le rayonnement issu de tubes à rayons X conventionnels. «On peut s’attendre à ce que cette approche novatrice trouve une application concrète dans les dispositifs médicaux, le contrôle non destructif, mais aussi dans le domaine de la sécurité intérieure», détaille Marco Stampanoni , responsable du groupe de recherche Tomographie par rayons X.

Les chercheurs viennent de publier leurs résultats dans la revue spécialisée Nature Communications.

Texte: Institut Paul Scherrer/Sebastian Jutzi