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24.04.2006
Des matériaux composites auto-cicatrisants
Les satellites et les sondes spatiales sont soumis dans l’espace à des conditions extrêmes (gradient de température élevé, impact de micrométéorites, radiations, etc.), sources de fissures impossibles à réparer. Quant aux avions, les fissures engendrées par exemple par des surcharges imprévues, des impacts ou par le phénomène de fatigue mettent en cause la sécurité des vols. Si l’inspection/détection de ces fissures et la réalisation des réparations nécessaires sont généralement possibles dans ce dernier cas, elles n’en restent pas moins difficiles, longues et coûteuses. Mais quel que soit le véhicule considéré, le résultat final est le même : une diminution plus ou moins forte des propriétés mécaniques (rigidité, …) des structures conduisant à plus ou moins long terme à leurs ruines en l’absence d’interventions extérieures. En observant l’auto-cicatrisation des organismes vivants, des ingénieurs travaillant pour l’ESA ont eu l’idée d’imiter la nature en inventant des matériaux capables de s’auto-réparer. Le principe est d’inclure dans les plis de pièces en matériaux composites (en fibre de carbone-époxy ou en fibre de verre-époxy) des fibres de verre creuses d’un diamètre compris entre 30 et 100 micromètres (env. la moitié du diamètre d’un cheveu) et courant sur toute la longueur de la pièce. Certaines fibres sont remplies avec une résine du commerce et d’autres avec le durcisseur correspondant. Lorsqu’une fissure apparaît, des fibres contenant la résine et le durcisseur sont rompu. Les deux composants sont « expulsés » par capillarité et la résine polymérise. La propagation de la fissure est dès lors stoppée. Lors des essais qui ont été réalisés, les équipes de l’ESTEC et de l’université de Bristol ont constaté que le matériau composite hybride obtenu possédait des propriétés mécaniques plus faibles que celles du matériau non autoréparable. Cependant, il a aussi été constaté que l’utilisation de cette technique permettait de retrouver après impact entre 86 et 97% de la résistance en flexion de la pièce intacte. Par ailleurs, en remplaçant dans une partie des fibres la résine par un colorant sensible à la lumière ultraviolette, il devient possible de visualiser les dommages avant autoréparation. Ce qui implique une maintenance facilitée des dites pièces composites ! A court terme, les équipes ont pour but de mettre au point un composite mimant le système circulatoire humain. Un tel réseau permettrait de pouvoir remplir à volonté les fibres avec de la résine ou du colorant afin de s’assurer que le fluide va en quantité suffisante aux endroits requis. Il restera ensuite à démontrer que la résine cicatrisante reste fluide durant toute la durée de vie d’un avion mais aussi qu’une ancienne fissure ne va pas limiter l’autoréparation d’une fissure naissante.
Applications potentielles : toutes les pièces composites dans les avions, les satellites, etc.
Applications déjà réalisées : éprouvettes d’essais, structures de type spatial autoréparables en fibre de verre (en cours), structures avion autoréparables en fibre de carbone (en cours).
Coût : Non annoncé
Disponibilité : > 5 ans
Mon avis : Cette nouvelle technologie n’est certes pas immédiatement industrialisable mais elle fait appel à des matériaux et à des méthodes de fabrication connus. L’idée en elle-même est très intéressante et prometteuse. Malgré tout, la capacité d’autoréparation n’est pas une première en soi. Une équipe de l'université de Urbana-Champain avait déjà développé des matériaux structuraux polymériques qui possèdent cette même propriété, l'agent cicatrisant étant contenu non pas dans des fibres mais dans des microcapsules. Cependant, cela n'enlève rien à l'intérêt des travaux réalisés par les équipes de l’ESTEC et de l’université de Bristol. Car l'avantage des fibres sur les microcapsules est évident : il est envisageable de réapprovisionner les fibres en résine pour une cicatrisation de qualité constante, ce qui sera d'ailleurs l'objet d'études prochaines.
Plus d’informations :
Rapport de l’ESA sur ce thème :
http://esamultimedia.esa.int/docs/gsp/materials_report_44...
Présentation de l’université de Bristol, 15th International Conference on Composite Materials, Durban, Afrique du sud, 27 juin - 01 juillet 2005 : http://www.aer.bris.ac.uk/research/fibres/gfrp%20pics/ICCM-15%20Self-healing%20of%20composite%20structures%20in%20a%20space%20environment.pdf
Contacts :
Dr Ian Bond
University of Bristol, Department of Aerospace Engineering
Tel: +44 (0)117 928 8662
Email: i.p.bond@bristol.ac.uk
Dr Richard Trask
University of Bristol, Department of Aerospace Engineering
Tel: +44 (0)116 33 17499
Email: r.s.trask@bristol.ac.uk
University of Bristol, Department of Aerospace Engineering
Queens Building
University Walk
Bristol
BS8 1TR
UK
http://www.aero.bris.ac.uk/
Dr Christopher Semprimoschnig
European Space Agency (ESA)
ESTEC, Materials Physics and Chemistry Section
(Mail-code: D/TEC/QMC) [Room BC 029]
PO BOX 299
Keplerlaan 1
2200 AG Noordwijk
The Netherlands
Tel: +31 (0)71 565 3990
Fax: +31 (0)71 565 4992
Email: christopher.semprimoschnig@esa.int
Photos (cliquer dessus pour les agrandir) : University of Bristol, ESA ; dans le sens des aiguilles d’une montre, à partir d’en haut à gauche : fibres creuses de 30 micromètres de diamètre, séquence d’autoréparation, visualisation de l’imprégnation du colorant dans la zone endommagée.
21:05 Publié dans Technologies | Lien permanent | Commentaires (2) | Envoyer cette note
Commentaires
Peut-on faire un paralléle avec les Materiaux à Mémoire de Forme?
Ecrit par : Stéphane | 28.04.2006
Bonjour.
Si l'on considère que dans le cas des matériaux à mémoire de forme et dans celui des matériaux autocicatrisants l'effet est induit par une propriété intrinsèque au matériau lui-même, la réponse est oui. Mais mis à part ce point commun, la propriété spécifique à chacun des 2 matériaux (autoréparation pour l'un, mémoire de forme pour l'autre) est totalement différente, de même que ce qui l'engendre (inclusion d'une résine non polymérisée et de durcisseur pour le premier, température pour le second) et le phénomène utilisé (polymérisation pour l'un, changement de structure cristalline commandé par l'effet joule pour l'autre).
Ecrit par : David | 03.05.2006