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Des matériaux qui s'auto-réparent

Publié le

Divers procédés développés en laboratoire permettent à un polymère, un métal ou un béton de remédier lui-même à sa dégradation. Une voie prometteuse pour améliorer la fiabilité et la durée de vie des matériaux de structure.

Une aile d'avion en composites qui bouche ses fissures en attendant la prochaine inspection. Une structure en béton qui réagit pour résister aux outrages du temps. Un caoutchouc coupé en deux qui se répare par simple pression. Un revêtement anticorrosion endommagé qui rétablit son intégrité... Ces matériaux qui résistent de manière active aux agressions de leur environnement pourraient changer sensiblement la conception des pièces pour l'automobile, l'aéronautique, l'énergie ou le bâtiment. Ce sont encore des curiosités de laboratoire. Mais leur utilisation pratique commence à devenir vraisemblable.

jouer sur les propriétés intrinsèques

En effet, de multiples équipes de chercheurs développent aujourd'hui des matériaux « auto-cicatrisants » qui, lorsqu'ils commencent à se dégrader, sous l'effet du temps ou des épreuves qu'on leur impose, déclenchent eux-mêmes les mécanismes physico-chimiques qui restaurent leurs propriétés. Dans la plupart des cas, cela signifie boucher des fissures ou des défauts dans la matière, ou empêcher leur propagation. Parfois, cela permet vraiment de recoller les morceaux ! C'est la démonstration spectaculaire réalisée récemment avec un caoutchouc par un laboratoire de l'ESPCI (Ecole supérieure de physique et chimie industrielles, à Paris), en collaboration avec le chimiste Arkema.

Des métaux aux composites, des bétons aux caoutchoucs, l'objectif des chercheurs reste le même. Mais la stratégie pour obtenir cet effet auto-cicatrisant dépend étroitement de la nature du matériau, et de la marge de manoeuvre qu'elle ménage à un processus d'auto-réparation au sein même de la matière.

Le plus simple, en théorie, plutôt que d'ajouter des ingrédients censés assurer l'auto-réparation, est de jouer sur les propriétés intrinsèques du matériau. Après tout, le caoutchouc inventé à l'ESPCI ne fait rien d'autre. En effet, cet élastomère est constitué de petites molécules liées entre elles par des liaisons hydrogène (non covalentes), qu'une simple pression entre deux morceaux séparés suffit à reformer, à température ambiante. Une start-up hollandaise, SupraPolix, avait déjà synthétisé un caoutchouc de ce type, mais il doit être chauffé à 140 °C pour déclencher l'auto-réparation. La voie suivie par l'ESPCI et SupraPolix, celle de la chimie « supramoléculaire », qui annonce une nouvelle génération de matériaux, est prometteuse. Mais obtenir ce même effet auto-cicatrisant intrinsèque avec des matériaux existants tels que les métaux, les verres ou les bétons suppose de remettre en cause pas mal d'idées reçues.

créer des instabilités pour s'adapter aux contraintes

« Les alliages métalliques sont en général conçus pour rester stables et conserver leurs propriétés tout au long de leur durée de service. Or, dans la perspective de l'auto-cicatrisation, la stratégie la plus intéressante consiste au contraire à donner au matériau une grande capacité à s'adapter à son environnement », souligne Roger Lumley, chercheur au centre australien Csiro, où il développe des alliages d'aluminium auto-réparants. Pour empêcher la croissance de fissures ou de défauts dans un métal soumis à des contraintes thermo-mécaniques, l'idée consiste à combler les fissures et les porosités en induisant la précipitation de composés dans l'alliage. Une précipitation précisément déclenchée par les contraintes auxquelles le matériau est soumis (fatigue, fluage...). Les études, qui portent sur la composition et la structure des alliages, n'en sont qu'à un stade exploratoire. Les applications visées : les composants dont on veut allonger la durée de vie sans recourir à la maintenance. Par exemple, des éoliennes offshore.

C'est aussi en jouant sur la composition que des chercheurs s'efforcent d'optimiser les propriétés mécaniques du verre afin de réduire la formation et la propagation de fissures. « La nécessité de conserver la transparence du matériau limite les solutions », reconnaît Frederic A. Veer, chercheur à l'Université technologique de Delft (Pays-Bas), dont le centre des matériaux mène un ensemble de projets sur les matériaux auto-cicatrisants. Dans le cas du verre, les efforts portent notamment sur une connaissance approfondie de ses mécanismes de défaillance. Car les « vieux » matériaux, qui relèvent d'une physico-chimie complexe, sont loin d'avoir exploité tout leur potentiel en matière d'auto-réparation.

Ainsi du béton : sa capacité à réparer lui-même ses fissures a été observée dès... 1836 ! L'explication générale est aujourd'hui connue : le béton contient « naturellement » des particules de ciment non hydraté. La proportion peut atteindre 25 %, voire plus... La formation de fissures dans le béton favorise le contact entre ce ciment résiduel et l'humidité, et donc le bouchage des fissures. Reste à comprendre dans le détail ce mécanisme, et surtout à savoir l'utiliser de manière fiable et prévisible.

un réseau vasculaire 3D dans les composites

Du côté des matériaux de synthèse, polymères et composites, c'est plutôt en introduisant des éléments extérieurs que l'on fabrique des composants auto-cicatrisants.

L'acte de naissance des composites capables de se réparer de manière autonome date de 2001, lorsqu'une équipe de l'Université de l'Illinois, dirigée par Nancy Sotos et Scott White, a montré l'efficacité d'un système basé sur des microcapsules remplies d'un agent cicatrisant. Réparties dans la matrice du composite, ces microcapsules s'ouvrent sous l'action d'une fissure et libèrent le produit actif, dont la polymérisation est déclenchée par un catalyseur dispersé dans le composite et va combler la fissure.

Depuis, de nombreux laboratoires se sont lancés dans cette voie pour améliorer la chimie du système et sa mise en oeuvre au sein d'un composite. Mais la limite a été vite perçue : une fois la microcapsule vidée de son contenu, la même région du matériau ne peut plus être réparée. C'est pourquoi l'idée la plus en vogue aujourd'hui est de créer un réseau vasculaire dans le matériau - à l'image du réseau sanguin dans le corps - pour l'alimenter en continu en agent cicatrisant.

L'équipe de l'Université de l'Illinois travaille maintenant dans cette direction, également explorée au centre des matériaux de Delft ou encore à l'Université de Bristol (Grande-Bretagne). Les études portent sur l'optimisation du diamètre et du tracé du réseau 3D afin de minimiser la résistance à l'écoulement, et sur les techniques de fabrication (dépôt couche par couche). A l'Université de Bristol, où les recherches sont menées au sein du département Aerospace Engineering, deux options sont poursuivies. La première reprend le principe du réseau vasculaire : « Elle a l'avantage d'assurer la protection d'une structure durant toute sa durée de vie. L'inconvénient est qu'il faut intégrer un système de pompage, et que l'on risque de dégrader les caractéristiques du composite », explique Ian Bond, le responsable du projet. Le laboratoire britannique envisage aussi l'utilisation de fibres de verre creuses - remplies d'agent cicatrisant - plus faciles à intégrer dans un matériau composite. Des essais ont ainsi été réalisés dans la perspective d'applications aéronautiques, en introduisant des fibres de verre creuses dans des polymères renforcés de fibres de carbone.

d'autres fonctions que l'auto-réparation

Utiliser des réseaux de fibres ou de canaux pour « irriguer » un matériau massif est une idée qui a été reprise dans d'autres contextes, dans le béton par exemple. Mais tout en peaufinant la réalisation de ces structures, les chercheurs imaginent déjà qu'elles pourraient permettre de créer d'autres fonctions. Comme des matériaux refroidis ou chauffés. .

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