Les thermites sont une épée à double tranchant. Avec une densité d'énergie énorme et désireux de produire une chaleur énorme lorsqu'elle est enflammée, la thermite est idéale pour le soudage des voies ferrées. Mais parfois, vous cherchez peut-être un peu plus délicatesse. Une nouvelle approche des thermites d'impression 3D pourrait peut-être apprivoiser la bête.

La plupart d'entre nous effectuons nos soudures en étant assis en toute sécurité à l'intérieur dans un climat confortable. Les plus grands dangers auxquels nous sommes susceptibles d'être confrontés sont les doigts brûlés, l'oubli du thermorétractable ou la libération accidentelle du monstre de fumée. Mais en dehors de nos maisons et ateliers, il y a beaucoup d'assemblages extrêmes de métaux. Peu importe où cela se fait, le soudage et le brasage sur le terrain nécessitent beaucoup d’équipements, dont certains sont peu maniables et encore plus difficiles à déplacer dans des conditions difficiles.

Soudage des voies ferrées avec de la thermite. Image via YouTube

L'utilité du brasage est limitée par tout l'échafaudage complexe du matériel nécessaire pour le supporter. Ce facteur limitant et la découverte de la thermite ont conduit au soudage exothermique, qui utilise un matériau énergétique pour fournir suffisamment de chaleur pour faire fondre un métal d'apport et joindre les pièces. Les matériaux énergétiques peuvent stocker une grande quantité d'énergie chimique et la libérer avec force en peu de temps.

Les thermites sont constitués d'oxyde métallique et de poudre métallique, souvent d'oxyde de fer et d'aluminium. Lorsqu'ils sont enflammés par une source de chaleur élevée, les composés de thermite subissent une réaction exothermique de réduction-oxydation (redox) car l'aluminium réduit le nombre d'électrons dans les atomes d'oxyde de fer. Plus de chaleur accélère la réaction, génère plus de chaleur, etc. Le résultat est du fer fondu et du laitier d'oxyde d'aluminium.

L’une des premières utilisations de la thermite a été la connexion des voies ferrées, et elle est toujours utilisée à cette fin de nos jours. Voici une superbe vidéo du processus de soudage à la thermite en action.

La thermite est dangereuse car elle produit une chaleur extrêmement élevée, mais elle présente de nombreux avantages. D'une part, il est bon pour joindre des métaux différents. Bien que les connexions serties soient assez fiables, les joints en thermite sont plus solides et peuvent résister à des tensions plus élevées. Il est facile à utiliser pour faire des joints à recouvrement – il suffit de faire un sandwich à souder avec les pièces à travailler, de mettre de la thermite sur le dessus et de l’enflammer avec un ruban de magnésium ou une introduction à la pyrotechnie – un étincelant.

La thermite est évolutive de manière prévisible, car la production de chaleur résultante est directement liée à la masse de thermite. Traditionnellement, la réaction de thermite est réglée en faisant varier la composition chimique – un peu plus de rouille, un peu moins de poudre d'aluminium jusqu'à ce qu'elle fasse ce que vous voulez. Tout cela est très bien, quoique un peu dangereux, dans des environnements normaux, comme la pose de voies ferrées. Dans un environnement austère comme l'espace, l'océan ou le champ de bataille, le danger d'utiliser une chaleur élevée est beaucoup plus prononcé.

Une source de chaleur imprimable et programmable

Imprimante et pâte thermite imprimée.

Récemment, un étudiant au doctorat en génie mécanique de l'Université Vanderbilt a créé une pâte thermite 4D imprimable qui pourrait rendre le soudage exothermique beaucoup plus sûr, en particulier dans les environnements austères.

Cette pâte est composée d'oxyde de fer, de poudre d'aluminium et de poudre de gypse. La poudre de gypse lie les poudres en une pâte imprimable lorsqu'elle est mélangée avec de l'eau. Même si de l'acide tartrique a été ajouté à l'eau, ils ont eu à peine 45 minutes pour le faire passer à travers l'imprimante – une extrudeuse de pâte Discov3ry 1.0 reliée à un Ultimaker 2+. Dans leurs expériences, l'équipe a réussi à utiliser la pâte pour fusionner l'aluminium et fabriquer un simple joint à recouvrement en cuivre.

En imprimant la pâte dans des zigzags précis et d'autres géométries qu'ils appellent des architectures de matériaux réactifs (RMA), l'équipe a pu montrer plus de contrôle sur la réaction de thermite. Lorsqu'elle est distribuée selon ces modèles, la thermite se comporte comme une source de chaleur programmable qui brûle plus comme un fusible et est intrinsèquement plus sûre à stocker, à transporter et à utiliser.

Les flèches indiquent la direction de la réaction initiale et les cercles rouges mettent en évidence les nouveaux points d'allumage.

Les formes de ces RMA ont été choisies pour explorer la manière dont chacune affecterait la réaction de thermite. Le premier était un zigzag simplifié, un motif en S allongé avec des angles droits durs conçu pour mesurer la vitesse de propagation lorsqu'une extrémité est allumée.

Le motif en zigzag complexe ci-dessus a été conçu pour étudier l'influence de la thermite enflammée pour combler l'écart et enflammer de nouvelles sections qui brûlent perpendiculairement à la réaction initiale. La troisième architecture – une paire de zigzags simples placés parallèlement, mais légèrement inclinés – a été utilisée pour tester la propagation de la réaction de thermite parallèlement à la réaction de départ. Les trois architectures ont été imprimées et durcies dans un four à air pulsé, puis enflammées et filmées avec une caméra à grande vitesse équipée d'une nuance de soudage.

Il existe de nombreuses applications d'assemblage qui bénéficieraient d'une telle source de chaleur contrôlable. Les architectures Thermite pour le soudage sous-marin ou spatial pourraient être conçues et imprimées à l'avance, puis allumées à distance, économisant de l'argent, des dépenses d'équipement et potentiellement quelques vies.

Nous avons vu quelques hacks de thermite de nos jours, dont beaucoup étaient destructeurs plutôt que constructifs. Puisque la thermite n'est pas quelque chose que vous pouvez simplement acheter au magasin, commencez par parcourir les recettes.

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