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Bientôt des matériaux autoréparants

Sonia Pignet

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Bientôt des matériaux autoréparants

© D.R.

Les recherches pour développer des matériaux capables de se réparer sans intervention humaine s'intensifient. Premier secteur visé, l'aéronautique.

Un matériau plastique capable de se réparer comme la peau qui cicatrise après une coupure ? Un rêve qu'entretient Alain Périchaud depuis plus de dix ans. Ce professeur de chimie à l'université de Provence, et créateur de Catalyse, une entreprise au service de la recherche industrielle, a l'imagination fertile. Puces électroniques autoréparantes, peintures qui effaceraient d'elles-mêmes les rayures, équipements sportifs à durée de vie multipliée par trois, ou même prothèses médicales presque inusables, les projets ne manquent pas. Il faut dire que l'autoréparation a de quoi faire rêver. Les fissures sont en effet une plaie pour les matériaux. Elles réduisent leurs propriétés mécaniques et augmentent le risque d'une fracture. Généralement dues à une contrainte thermique ou mécanique trop importante, elles ne sont pas toujours détectables et souvent irréparables. La cicatrisation permettrait de prolonger la durée des matériaux et de réduire les travaux de maintenance.

Des solutions au cas par cas

« Trois grands industriels nous ont contactés pour différents projets de matériaux autoréparants. Ils viennent chercher chez nous des idées originales », confie Alain Périchaud. Les domaines d'application sont divers, les facteurs déclenchant la réparation varient et les solutions doivent être trouvées au cas par cas, application par application. Pour donner vie à ces projets, il a récemment recruté un jeune chercheur passé par l'université de l'Illinois (États-Unis), l'un des berceaux de la discipline.

Ces scientifiques américains ont développé un concept, au début des années 2000, pour combler les fissures d'un matériau en composite. Ils intègrent au sein du matériau des microcapsules remplies de polymère liquide. Lors d'une fissuration, ces microparticules se brisent et libèrent leur contenu. En présence d'un catalyseur, également placé dans le matériau, le liquide polymérise pour venir boucher le trou. Aujourd'hui,

cette technique permet de récupérer jusqu'à 90 % de la ténacité du matériau et l'intégration des microparticules ne la fragilise pas. Cette technologie peut s'appliquer aux composites de l'aéronautique, ou encore à des adhésifs ou des peintures.

D'autres laboratoires exploitent aussi ce principe, comme à Potsdam (Allemagne) par exemple, où des particules chargées électriquement relarguent, dans certaines conditions, un agent réparant anticorrosion destiné aux ailes d'avions. Mais ce n'est plus la seule technologie qui est étudiée, et les laboratoires développent de nouveaux concepts d'autoréparation.

Une équipe de l'université de Bristol (Grande-Bretagne) mène des travaux en ce sens, en partenariat avec l'Agence spatiale européenne. Si le principe reste le même (il s'agit toujours de polymériser in situ), la méthode change. Le monomère et l'activateur ne sont, cette fois, plus contenus dans des microsphères, mais dans des fibres de verre creuses. Lorsque ces fibres se rompent sous l'effet d'un choc, elles libèrent leurs produits par capillarité. Les monomères polymérisent, comblant alors la fissure. Avantage : la quantité de produit réparant est plus importante et les fibres peuvent servir de renfort mécanique au matériau. En revanche, après réparation, le composite n'est plus aussi solide qu'avant du fait de la rupture des fibres, même s'il retrouve entre 87 et 97 % de sa résistance à la flexion. Cette solution, testée dans les conditions d'un environnement spatial, se révèle toutefois efficace.

Retour dans l'Illinois. Là, les adeptes de la technologie par encapsulation ont fait évoluer leur concept, en mimant le système vasculaire qui agit lors de la cicatrisation cutanée. Ils proposent de faire circuler l'agent cicatrisant dans un réseau tridimensionnel de canaux, afin de ne plus être limité par la quantité de produit disponible dans les microparticules. Si le concept semble prometteur, l'accès limité au catalyseur reste encore à résoudre.

Plus ambitieuses encore les recherches menées au Laboratoire de technologie des composites et polymères à l'École polytechnique fédérale de Lausanne (Suisse). Elles visent à créer des matériaux, non seulement capables de se régénérer, mais qui fournissent en plus des informations sur leur état de santé.

Diversification des applications

Une panoplie de technologies est déployée : des détecteurs de chocs par le biais de fibres optiques, des fils en alliage à mémoire de forme (AMF) et, toujours, des microcapsules contenant de la résine liquide et un catalyseur. Lors d'un choc, les fibres optiques permettent de localiser le défaut et d'y transporter un courant qui agit sur les fils en AMF déformés. Ces fils reprennent alors leur position initiale en refermant la fissure. En parallèle, les microcapsules cassées lors du choc libèrent leur contenu qui bouche les interstices. Avec cette méthode, le comportement du matériau, face à la propagation des fissures, est de 90 à 95 % de celui initial. « Il faudra encore quelques années de développement, mais l'une des applications envisageables est d'intégrer ces composites dans les ailes d'avions », explique Véronique Michaud, responsable suisse de ces recherches. Cependant, le terme "autoréparant" est ici discutable puisque la cicatrisation nécessite l'apport d'un courant électrique. Mais c'est l'une des perspectives d'évolution de ces technologies.

D'après Fabienne Monfort-Windels, qui suit l'avancement de ces recherches depuis plusieurs années pour le Sirris (le centre collectif de l'industrie technologique belge), « il existe plusieurs projets de démonstration, mais il n'y a pas encore d'application à proprement parler ». Une certitude toutefois, l'aéronautique et le spatial restent les secteurs cibles. Deux raisons à cela : dans ces domaines, la moindre fissure peut avoir des conséquences dramatiques et les recherches sont très onéreuses.

Pour autant, des projets pour diversifier les applications sont à l'étude. En Grande-Bretagne, des chercheurs ont conçu un mur qui autorépare ses fissures en cas de tremblement de terre. Il existe aussi un brevet américain pour l'amélioration de la durée de vie des balles de golf par autoréparation. La réalisation des rêves d'Alain Périchaud se rapproche.

LE VERRE NUCLÉAIRE SE RECONSTITUE DE LUI-MÊME

Des chercheurs du CEA et du CNRS ont montré que le verre nucléaire, destiné à renfermer des déchets radioactifs, présentait lui aussi des propriétés autoréparantes particulièrement sympathiques dans le cadre de cette utilisation. Ainsi, le verre est capable d'une autoréparation naturelle des dégâts causés par l'irradiation et par l'eau. Dans le premier cas, le rayonnement alpha provoque une lésion du réseau vitreux, qui serait dommageable si elle n'était pas accompagnée d'une agitation thermique. Celle-ci provoque localement une fusion, reformant ainsi les liaisons détruites en quelques picosecondes. Dans le cas de l'altération par l'eau, le verre a aussi des ressources pour se défendre. Mais il s'agit cette fois de phénomènes qui ont lieu sur des milliers d'années. Un rôle de barrière pour plus de sécurité L'eau dissout les éléments les plus solubles (comme le sodium et le bore) et, de façon très partielle, la silice, constituant principal du verre. La silice libérée se condense en surface du verre et forme un gel (matériaux amorphes, poreux et hydraté) qui, dès quelques nanomètres d'épaisseur, joue un rôle de barrière, limitant le transfert des espèces radioactives. Les propriétés d'autoréparation intrinsèques à ces matériaux renforcent donc la sécurité des colis de verre destinés à être enfouis.

1. Avec des microcapsules

> Principe Polymérisation in situ grâce à des microcapsules intégrées dans le matériau qui larguent un agent cicatrisant lorsqu'elles sont rompues sous l'effet d'un choc. > État d'avancement Technologie mature. > Applications visées Son coût n'autorise, pour l'instant, que des applications haut de gamme (aéronautique-spatial) mais d'autres sont envisagées (peintures, prothèses médicales...).

2. Avec des fibres creuses

> Principe Des fibres creuses contiennent un monomère qui polymérise au contact d'un activateur lorsque les fibres sont cassées, et comble ainsi la fissure. > État d'avancement Ajustements en cours. > Applications visées Des recherches sont en cours pour le spatial. Les chercheurs voient aussi un intérêt pour les résines dentaires.

3. Grâce à un liquide cicatrisant

> Principe Sur le modèle de la peau, un liquide cicatrisant circule dans un réseau tridimensionnel. Lorsqu'une fissure se crée en surface du matériau, le liquide s'y engouffre par capillarité et durcit. > État d'avancement Recherches récentes mais prometteuses. > Applications visées Implants médicaux et revêtements polymères qui se régénèrent indéfiniment.

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