image: Matias Kagias (left) and Marco Stampanoni in front of the apparatus with which they examined the composites using the newly developed X-ray method. Both hold one of the workpieces that have been X-rayed. view more
Credit: Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic
Des chercheurs de lInstitut 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 lavenir 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 linstar des plastiques renforcés de fibres de carbone (CFK) qui sont utilisés, par exemple, dans laéronautique 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 sagencent dans le matériau environnant. Ces caractéristiques influencent notamment le comportement mécanique, optique et électromagnétique des composites.
Si lon veut pouvoir observer la composition de ce genre de matériaux composites, il faut impérativement pouvoir les scruter à lintérieur. Pour ce faire, il est possible de recourir à ce quon appelle la diffusion des rayons X aux petits angles (small angle X-ray scattering (SAXS) en anglais) et dexploiter le fait que les rayons X se diffractent lorsquils traversent la matière. Le diagramme de diffraction que lon obtient ainsi permet de recueillir des informations sur lintérieur de léchantillon et éventuellement sur lorientation des fibres. Mais les méthodes conventionnelles de SAXS ont linconvénient dêtre très lentes: radiographier en continu quelques centimètres déchantillon avec la résolution nécessaire peut en effet prendre plusieurs heures.
Observer le nouage dun ruban en fibre de carbone
Avec leurs collègues de lEPFL et de la spin-off danoise Xnovo Technology, des chercheurs du PSI et de lETH Zurich ont à présent réussi à perfectionner cette technologie pour lapplication dans la pratique. «Avec ce développement, il devient possible didentifier au moyen dune seule radiographie plusieurs diagrammes de diffraction locaux qui reflètent la structure spatiale interne dun échantillon, ce qui nous permet de réaliser un grande nombre dimages 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 lorientation 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 daccélérateurs comme la Source de Lumière Suisse SLS, mais aussi avec le rayonnement issu de tubes à rayons X conventionnels. «On peut sattendre 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.
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A propos du PSI
LInstitut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de linstitut sont centrés sur la matière et les matériaux, lénergie et lenvironnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est une préoccupation centrale du PSI. Cest pourquoi environ un quart de nos collaborateurs sont des apprentis, des doctorants ou des postdocs. En tout, le PSI emploie 2100 collaborateurs, ce qui fait de lui le plus grand institut de recherche en Suisse. Son budget annuel sélève à environ CHF 407 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF avec lETH Zurich, lEPF Lausanne et trois autres instituts de recherche: lEawag, lEmpa et le WSL. La publication 5232 Le magazine de lInstitut Paul Scherrer vous donne un aperçu de la recherche passionnante du PSI avec des points focaux changeants trois fois par an.
Contact
Prof. Marco Stampanoni
Responsable du groupe de recherche Tomographie par rayons X
Institut Paul Scherrer, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 47 24, e-mail: marco.stampanoni@psi.ch [allemand, anglais]
Dr Matias Kagias
Groupe de recherche Tomographie par rayons X
Institut Paul Scherrer, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 51 20, e-mail: matias.kagias@psi.ch [anglais]
Publication originale
Diffractive small angle X-ray scattering imaging for anisotropic structures
Matias Kagias, Zhentian Wang, Mie Elholm Birkbak, Erik Lauridsen, Matteo
Abis, Goran Lovric, Konstantins Je_movs, Marco Stampanoni
Nature Communications 12.11.2019
DOI: 10.1038/s41467-019-12635-2.
Journal
Nature Communications