Des matériaux conçus pour s’auto-réparer et durer des siècles

H’Rina DeTroy 

Les chercheurs de NC State ont prouvé qu’un système thermodynamique d’auto-cicatrisation peut réparer les fissures et fractures dans les matériaux manufacturés au moins 1 000 fois — un avantage particulièrement bénéfique pour les vaisseaux spatiaux opérant dans des environnements trop inaccessibles pour des réparations de routine.

Des chercheurs de l’université d’État de Caroline du Nord ont créé un système permettant aux matériaux conçus par ingénierie de s’auto-réparer, similaire aux capacités de régénération que l’on trouve dans les matériaux organiques comme l’os et le bois. Récemment, ils ont constaté que cette technique d’auto-réparation répare efficacement les fissures et les séparations dans les matériaux composites utilisés dans des technologies comme les avions et les éoliennes sur plus de 1 000 cycles.

Ces matériaux sont des composites polymères renforcés de fibres (FRP) constitués de couches de fibres de verre ou de carbone liées par une matrice polymère, généralement une époxy — et sont prisés pour leur rapport résistance/poids élevé. Cependant, la structure en couches des composites FRP stratifiés les rend également sensibles à la délaminage, c’est-à-dire au processus où les fibres se séparent de la matrice et compromettent la résistance et l’intégrité structurelles. L’équipe d’ingénieurs de NC State s’attaque à la manière de réparer les fissures et fractures qui provoquent la délaminage.

« La délaminage est un défi pour les composites FRP depuis les années 1930 », explique Jason Patrick, auteur correspondant de l’article et professeur associé de génie civil, de la construction et de l’environnement à NC State. « Nous pensons que la technologie d’auto-cicatrisation que nous avons développée pourrait être une solution à long terme à la délaminage, permettant aux composants de durer des siècles. C’est bien au-delà de la durée de vie typique des composites FRP conventionnels, qui varie de 15 à 40 ans. »

Patrick et son équipe d’ingénieurs ont développé un système d’auto-cicatrisation en 2022, en intégrant un agent de cicatrisation thermoplastique imprimé en 3D dans la structure du composite. La couche intermédiaire à motif polymère qui en résulte rend le stratifié deux à quatre fois plus résistant à la délaminage. Des couches de chauffage minces sont également intégrées dans le composite, qui chauffent lorsqu’elles sont soumises à un courant électrique. L’agent cicatrisant répare ensuite les dommages du composite en fondant et en s’écoulant dans les fissures et les microstructures.

L’équipe de chercheurs estime que leur stratégie d’auto-cicatrisation peut prolonger la durée de vie des composites FRP de plusieurs siècles. À l’inverse, les composites conventionnels sans système d’auto-cicatrisation ne restent durables que quelques décennies.

« Parce que notre composite est initialement nettement plus résistant que les composites conventionnels, ce matériau auto-cicatrisant résiste mieux à la fissuration que les composites stratifiés actuellement disponibles pendant au moins 500 cycles », déclare Jack Turicek, auteur principal de l’article et étudiant diplômé à NC State.

Pour évaluer les performances de cicatrisation à long terme, l’équipe a récemment conçu un système de test automatisé. Une force de traction a été appliquée de manière répétée à un composite FRP jusqu’à ce qu’il se délaminé, et qu’une fissure de 50 millimètres se développe, déclenchant le processus de réparation thermique. Sur 40 jours consécutifs, le système de test a effectué 1 000 cycles de fracture et de cicatrisation, mesurant la résistance du matériau à la délaminage après chaque réparation. En effet, les chercheurs ont fissuré le composite exactement de la même manière, l’ont cicatrisé, et ont testé la charge qu’il pouvait supporter avant de se séparer à nouveau — répétant ce processus 1 000 fois, un ordre de grandeur au-delà de leur précédent record.

Dans les applications réelles, la cicatrisation ne serait déclenchée qu’après des dommages causés par la grêle, des impacts d’oiseaux, ou des événements similaires, ou lors de la maintenance de routine. Sur la base de leurs résultats, les chercheurs estiment que le matériau pourrait rester fonctionnel pendant 125 ans avec des cycles de cicatrisation trimestriels, ou jusqu’à 500 ans avec des traitements annuels.

« Cela apporte une valeur évidente pour les technologies à grande échelle et coûteuses comme les avions et les éoliennes », affirme Patrick. « Mais cela pourrait être exceptionnellement important pour des technologies comme les vaisseaux spatiaux, qui opèrent dans des environnements largement inaccessibles et qui seraient difficiles, voire impossibles, à réparer sur place par des méthodes conventionnelles. »

Patrick a breveté et licencié la technologie via sa start-up, Structeryx Inc. « Nous sommes enthousiastes à l’idée de travailler avec des partenaires industriels et gouvernementaux pour explorer comment cette approche d’auto-cicatrisation pourrait être intégrée dans leurs technologies, qui ont été stratégiquement conçues pour s’intégrer aux procédés de fabrication de composites existants », souligne Patrick.

L’article, « Self-healing for the Long Haul: In situ Automation Delivers Century-scale Fracture Recovery in Structural Composites », est publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences. Le premier auteur de l’article est Jack Turicek, étudiant en doctorat à NC State. L’article a été co-écrit par Zach Phillips, étudiant en doctorat à NC State, et Kalyana Nakshatrala, professeur Carl F. Gauss de génie civil et environnemental à l’université de Houston.

Source : NC State