11
Daniel Therriault, ing., Ph.D. Professeur adjoint Département de génie mécanique 28 FÉVRIER 2006 Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés du corps humain

Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

Daniel Therriault, ing., Ph.D.

Professeur adjointDépartement de génie mécanique

28 FÉVRIER 2006

Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques

inspirés du corps humain

Page 2: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

2

Parcours et formation• Génie mécanique (Polytechnique), orientation en technologies spatiales

Stage 97-98: Groupe d’analyse thermiqueÉté 96: Tribologie 1996: Échange

• M.Ing. Génie aérospatial (Polytechnique), Structures et matériaux

Stage 99 : Groupe matériaux avancésÉté 97: Viscoélasticité

Canadian SpaceAgency

• Ph.D. Génie aérospatial ( )University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC)

1999–2000:

Pont en composites

2000–2003:

Microtechnologie

Page 3: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

3

Matériaux auto-réparateurs

• Problématique– Les polymères sont utilisés dans une grande gamme d’applications.

– Lors de chargements, ces matériaux sont susceptibles à la propagation de fissures (ou création de fissures).

– Ces fissures peuvent mener à la rupture mécanique ou électrique de l’appareil.

– Ces fissures sont difficiles à détecter et à réparer.

Matériaux composites de haute performance

Boîtier d’appareil Assemblage de composantes électroniques

Page 4: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

4

Matériaux auto-réparateurs

a) Un agent réparateur (colle) est encapsulé à l’intérieur de microcapsules dispersées dans un polymère contenant un catalyseur.

b) Après l’endommagement du polymère, une microfissure se forme et brise les microcapsules relâchant l’agent réparateur.

c) La polymérisation se produit lors de la rencontre entre l’agent réparateur et le catalyseur.

White et al., Nature (2001)

Concept

Page 5: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

5

Réseau de polymères branchés

RuPh

H

PCy3

PCy3

Cl

ClCatalyseur

Agent réparateur

Matériaux auto-réparateurs: Concept

Polymère (époxie)

Page 6: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

6

X+Y

-(X-Y)n -

Parois de la capsule

Polymère(époxie)

Intérieur de la capsule

Matériaux auto-réparateurs: Microcapsules

Polymérisation de la capsule

Micro-encapsulation de l’agent réparateur

Image d’une microcapsule brisée prise par microscope SEM(White, Nature 2001)

Page 7: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

7

0.25 mm

• Séquence d’images vidéo montrant la rupture et la propagation de l’agent réparateur

• Une encre rouge a été ajoutée pour visualisation

• Temps écoulé entre chaque image (~ 1/15 s)

Matériaux auto-réparateurs

Transport de l’agent réparateur

Page 8: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

8

0

50

100

150

200

250

0 200 400 600 800 1000

Load

(N

)

Displacement (µm)

self-healed

virgin

neat epoxy

injected DCPD

Échantillon pour test mécanique (White, Nature 2001)

Récupération jusqu’à 90% de la ténacité initiale du matériau

Matériaux auto-réparateurs

Efficacité de la réparation

Déplacement (µm)

Forc

e (N

)Initial

Auto-réparé

Page 9: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

9

��������� ����� ���� �� ��� �� ���� �����

� ��� � � � ������� � ����� ��� �! "���#� ���$���� � ��� %�����%�� &��'�'��� � �� � (�)&*� ��

%������ ��� �+&���,�� ����� ���� �� ��� -��-. �����

/*�*� � 0 � 1����� 2 � 3�( �&� �! 4��� ���)5�����6�)7����)"�*, �+&���,�� ����8 &���� �! ��8*

$��� � &����%�� '� �& �%�� &���,� ��% ��(� %��9������ ����� ���� �� ��� ������� �����

� :�&� ��� 5 7� 7��� �� ; < � �(���� 5 2 � ����� ��� �! "���#� ���$���� � �9�� 6, �! �& �%�� ='��

����� ���� �� ��� ��.���> ��� �

. ?(�� � 5 <� �� ��� ?� @���!�� ��� 0 � ������8��� 1 3�( *�8*)�� ���� � ����%� �! &������� ���)

�� ��8��� &*� �� &���� ����� ���� �� ��� ..�� . ���-�

:� ��� @� "������� ;� �'������ 0 � <����� 3 ����� ��� �! "��� ���$���� ��� '� &*� ��� ,��� *��

� 6, �&�� ����� ���� �� �� .->.�.->> �����

- @��*�� < � �� ����� ��� �! "���#� ���$���� � ����� � ��% 4��� ��� ��%��� � %���� ���� ����� ���� ��

�� -�.��-� . �����

> 1�&�% � 1 "���#� ���$���� � �� A ,��� ����� *�� �9�� ���� ��� ����� �����

� <����� 3 � �'������ 0 "��� ���$���� � ��� *� ��%��� � ���&*���A �% �9� 9����� &����9� �(� %*�� �����

�� � ��� �.��� �����

� ��� : ? � /*�,���� 1 5��&���� ,���%���� �� �! ��%�� *�����)9����'�� *������ ����� ���� � ��

.��.�.�� ����

� ?(�� � 5 <� 4'��*���� 5 0� / ���'��8� 1 � � 2*���� 7 � 5��&���� !�� � ���&*���)!��� "���

���$���� � �+&���,�� ����� ���� � ��� .����.��� ��� �

�� 0���8�� / B� B������� � � /�� ��� 4 ���&*���)!��� �� �! *� "��� ���$���� � ����� ���� � ��� -����

-� ���-�

� B��� 4 /� @�� *��� : � ��� / 5��&���� !�� � ���&*��� !��� �� �! *� "��� ���$���� ��� ����� ���� � ��

.�� .�- ���-�

�� B���'��8��� �� 1��9���� 5 ?� 0����� � 1 � /*�,���� 1 5��&���� �� �! "���#� ���$���� � (� *�� �

�� �% ��� ���&*��� '� ����8 �� ��8��� 7��'��8 � �,� ����� ���� � ��� �.��� ���>�

�. "��!� 2 � ����� 1 :�� ��8 "���#� ���$���� � (� * (�)��9�� � �,� 9�� &�&��� ��� �&�% ���%�&�

��������� �� ��� �� ������

� "��8�� 1� ������ @ ; � ?��8* � 5 � 1 "���#� ���$���� � �� (� * �� ��8��� � �,� ����� ���� � ��

�-���)��-���)� ������

�- ��,�*�)7�%* �� � � �� �8� @ C��� �, ,�%*���%� ��� *����� 9����'���A � �� �! "���#� ���$���� �

'� *� ,������,�� �! *� �&�� %������ ��� �� ��()����8� &�� ���&�� �� �%� ����8 ����� ���� � ���

�- .��--- ���>�

�> 0�8���� 4 � �� <����� ��� �! 4��� ���)5�����6�)7���� &���� �! � �,� ����� ���� �� ��� �- �����

�� /�%6� � 2 1 � �� 4+&���,�� �� �� ��8��,�� �! !��� &�� �%��� ���� ���� �->��-� ������

�� B���,��� 7 5� ������� B � � 0���(�� *� 7 @ <��,� ��%�� ��&����� � ��� �! *� /%*��D���8��

�$�� ��� !�� ���9��8 ,���� &��'��,� �� ����� ����� � ��-� ��-��

�� 7�%* ��� : 2��&��� �9� �������%� E�����%��%� !��, (� � �,� �+&�����%��8 ��!!���� ���9��8 =����

����� ��� ��� �>����� ���.�

.� 4�%*,���� F � �� ����8#� �� ��!����%� �+&���,�� (� * ��8* �%� ���� !��, (� � �,� ����� ����

�� ��� �.-���.>� ���.�

�������������

@� *��6 1 "��)?��*� ; "�����8��� ; "�� ��� 3 <����� 5 ?��8* � 5 ?(�� ��� G 5��%�9��!�� ���!�� ���%������� ��� %�,,�� � �� *� ,����%��& :*�� (��6 (�� ��&&�� �� '� *�F/ 3� ����� /�%��� � 18��%� �3/1� ��� *� 1�9��%�� 7�����%* ��� H�9���&,�� 1% �9� � �17H1�� *� F/ �!=%� �! 3�9�� 7�����%*� ��� *� F/ 1�,� 7�����%* �!=%� :*��&�&�� �� � %�� ��'� ��� �! *� 3� ����� G�� � � � �! / ������� ��� :�%*����8� ��� �� �� ��'I�% � F/ %�&���8*

2�����&�����%� ��� ��$��� � !�� ,� ������ �*���� '� ��������� � H;@��),���A ��9��(�������J'��������� 8�9�

������� �� �����

�� 31:F74 K ��� �� K - B4"7F17� ��� K (((�� ���%�,

��������� ���� �������� ����������� �� ���L� �� �� ������M� �� �� �����L� �� �� ����N� �� �� �����M��� �� ������N� � �� !��"�M # �� $��"������L

L�������� �� ����������� ��� ����������� ������������ M��������

�� ���������� ��� ������� ��������� N�������� �� !�������� "�������� ��

#������� � "�$���%!��������� "�$���� #������� &'()'� "*�

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������� �������� ��� ����������� �� ������ �� ��� ��� � ����!�� "���� ��� ���� "����� ��� ��������� "���� ��������� ���� #���� ��� ������ �� ������ ����������� $���!��� ����� ������������ ������������%� � #���&���� ����� ������� ���&�������' �� ��������������� ��������� ���������� �� ��� �������� �� ���������� �������� (��������!��� ������� �� ���������� ���������� ������ �� ���� � ����&�������� ������� �� ����&��� ������)���� *��������� � ��� ������������ ���� ����!� ��)� ����� "����� ��������� ���������� ��� ��������� � ��� ����������� �����#������ ������������ +,��������� �,������� ��� �������� ��� &������ ��)� ���� ���)������ ���������%� ��� ��� ����������� �� ����!&������� ������� ���� ��)� ���� �������� �� ��

��-���� ���� ��� � ������ �����)��������%�� .��� "� ������ ����������� ��������� �������� "��� ��� ������� �� ����������������� ����!�� /�� �������� ������������ � ����������������� ����&��� ����� ���� �� �������� ���� ����! ���������� 0�������1����� � ��� ������� ����� �� ���� ��������� �� ������� "��� �� ����������������� ������� ��� ����! ����� 2�� ������� �,��������� ������� ���� �� ��3 ����)��� �� ���������� ��� "� �,���� ���� ����������� "��� �� ���������� �� ����� ������� ��������� �������4��������� �������� ��� �������5�

B�8��� ����� �� �� ��� �� ���,�% *�����8 %��%�& 0�����8 ���%%�,&���*�� '� ��%��&��� ��8 � ,�%����%�&���� �� *�����8 �8�� ��� � %� ��� �% %*�,�%�� ��88�� (� *�� �� �&�+� ,� ��+ 1��&&���%*��8 %��%6 ��& ���� �,'����� ,�%��%�&������ ��������8*�����8 �8�� �� � *� %��%6 &���� *���8* %�&������ �% ��� 5���),����� ��� �! *� *�����8 �8�� �� ��88���� '� %�� �% (� * *��,'����� %� ���� � '�����8 *� %��%6 !�%�� :*� ��,�8�)����%�� ��88����8 ,�%*����, &��9���� �� �)�&�%�=% �� ���,�% %�� ��� �!��&��� 1� ���� ����� ���$�� !�� ��� �! ��� *�����8 %��%�& �� *� ����! ��9��8 � *� ��� *�9��8 �� ��,��� �� %*���)����� &���,����� ���%� ���� �� *�� ���'���8 ,�� �&�� *�����8 �9�� � 4�8�������8 *�����!)*�����8 %�,&��� � ��9��9�� *� %*�����8� �! %�,'����8 &���,���%���%�� �+&���,�� �� ��� ����� �%�� ,�%*���%�� ��� %�,&��� ��&��%�����8 &���%�&���

@� '�8�� '� ��������8 *� �!!�% � �! ,�%��%�&���� 8��,� ����� &��&�� ��� �� *� ,�%*���%�� ��88����8 &��%��� B�� �+�,&���%�&���� (���� *� ��� �� *�%6 (��� �� ��& ��� (*�� *� %��%6�&&���%*��� (*����� %�&����� (� * 9��� *�� (���� (��� '���6 �����8&��%�����8 � *�� ����9�� ����8� &���,� ��� ��� *� ��8*���� ��� *� ���� �9� � �!!���� �! *� ,�%��%�&������ ��� *� � ���8 * �! *� �� ��!�%� '� (��� *� ,�%��%�&���� ��� *� ,� ��+ ��%��),�%*���%�� ,�������8 (� * *� ��� �! *� 4�*��'������ �$��9���� ��%������ ,� *��� *�� '��� ���� � � ��� 9������ ��&�% � �! *�%�,&��+ *���)��,�������� �� ���% ��� '� (��� � %��%6 ��� �,�%��%�&���� 1� ����� �� �9� ����� !��, *��� � ����� �� &����� ���� B�8 ��� (*�%* �*�(� *� �!!�% �! *� ���� �9� � �!!���� �! *�,�%��%�&���� �� *� &��&�8� ��� &� * �! �� �&&���%*��8 %��%6:*� %��%6� *� �&*��� ��� *� ����������8 ,� ��+ ��� ��'I�% �� �� !��)=��� ������ ������8� ��� &��&����%���� � *� %��%6 &����

Catalyst

Polymerizedhealing agent

Healing agent

Microcapsule

Crack

a

b

c

����� � ��� ������� ����� �������� � ��������������� ����� � ��� �

������� � � ���������� ������� ���� ������� � �������� ������� �� ��������

��� ����� � ���� �� ������ ��� � ��� ���� �������� ��� � ������� �� ��� �����

�������� ��� ������������ ������� ��� ����� � ��� ��� ��� ����� ����� ����� �

�������� ������ �� ��� ����� � ��� �������� ��� ��������� �� ��� ����������� ����

����� ��� ����� ����� �������

© 2001 Macmillan Magazines Ltd

ABC News NBC NewsAP New ScientistBBC World Service New York TimesBoston Globe NPR Morning EditionC&E News Popular ScienceCanadian (BC) Radio Reuters News ServiceCBC RTL (Germany) TVCBS News Science & Avenir (France)Chicago Sun TImes Science NewsChicago Tribune Seattle TimesDaily Herald Svenska Dagbadet (Sweden)Dallas Morning News The Financial TimesDe NRC (Dutch) The GuardianDiscovery Channel UPIDow Jones Newswires USA TodayLondon Independent Voice of AmericaMSNBC Washington PostNational Geographic Wired Magazine

Liste partielle de la couverture:

Matériaux auto-réparateurs dans les médias

Page 10: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

10

But à long terme?

Avant Après*

* Images tirées du film Terminator 2

Matériaux auto-réparateurs

Page 11: Concevoir d’appareils mécaniques microscopiques inspirés

11

• Deuxième génération de matériaux auto-réparateurs– Transport continuel de l’agent réparateur afin d’obtenir une

réparation répétitive

• But– Reproduction d’un réseau

microvasculaire à l’intérieur d’un matériau structural

• Caractéristiques du réseau– Résolution du micromètre, nombreuses

inter connectivités, large réseau 3D, section circulaire des canaux

Système circulatoire humain**Images tirées des sites www.innerbody.com et Microangela

Réseau capillaire*

White et al., Nature (2001)100 µm

Microcapsules aux canaux

Matériaux auto-réparateurs