Une équipe d’ingénieurs américains a mis au point un matériau composite fibreux capable de guérir des dommages internes plus de 1 000 fois, une avancée qui pourrait considérablement prolonger la durée de vie de pièces allant des pales d’éoliennes aux composants d’avions.
Lors de tests en laboratoire, ce matériau a réparé de manière répétée un type de défaillance courant appelé délaminage, ce phénomène de séparation interne des couches de fibres qui touche les composites polymères renforcés de fibres depuis les années 1930, selon Jason Patrick, professeur de génie civil et environnemental à l’université d’État de Caroline du Nord (NC State) et auteur correspondant de l’étude. Les résultats ont été publiés le 9 janvier dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.
Le système repose sur deux ajouts intégrés dès la fabrication. Un agent de réparation thermoplastique, le poly(éthylène-co-acide méthacrylique) ou EMAA, est imprimé en 3D directement sur le renfort de fibres, formant une couche intermédiaire qui rend d’emblée le composite deux à quatre fois plus résistant au délaminage.
De fines couches chauffantes à base de carbone sont ensuite intégrées : parcourues par un courant électrique, elles font fondre l’EMAA, qui s’écoule dans les fissures avant de se solidifier en refroidissant. Pas de patch externe, pas d’adhésif injecté : la réparation vient de l’intérieur.
Pour éprouver ce mécanisme, appelé remaillage thermique par les chercheurs, un banc d’essai automatisé a répété la séquence sans intervention manuelle : traction jusqu’à produire une délamination d’environ 50 millimètres, activation du chauffage, rechargement de l’échantillon. La séquence a tourné 1 000 fois en 40 jours consécutifs, soit un ordre de grandeur au-delà du précédent record de l’équipe, fixé à 100 cycles en 2022.
Jack Turicek, étudiant diplômé à NC State et auteur principal de l’étude, a expliqué que, parce que leur composite est dès le départ nettement plus résistant que les composites conventionnels, ce matériau auto-réparant résiste mieux à la fissuration que les composites stratifiés actuels pendant au moins 500 cycles. Il précise que la ténacité interlaminaire décline bien après des guérisons répétées, mais très lentement.
Des projections à 125 ans, voire 500
La résistance à la délamination a suivi un déclin progressif que l’équipe a modélisé selon une distribution statistique de Weibull, pour estimer une performance au-delà des 40 jours de l’expérience. Selon ce modèle, un composant réparé tous les trois mois pourrait rester utilisable environ 125 ans ; avec une réparation annuelle seulement, la durée de vie projetée grimperait à environ 500 ans. À titre de comparaison, les composites conventionnels sont retirés du service au bout de 15 à 40 ans.
Aucun de ces chiffres ne correspond à une durée de service réellement démontrée. L’expérience a porté sur des échantillons de laboratoire soumis à une forme contrôlée de délamination, alors qu’un avion ou une pale d’éolienne en fonctionnement affronte des combinaisons plus complexes de fatigue, d’exposition à l’humidité, de vibrations et de chocs.
Des essais de fatigue longue durée, de cycles de température et de scénarios d’impact réalistes, comme la grêle ou les collisions d’oiseaux, restent nécessaires, tout comme les exigences de certification propres à l’aérospatial.
Les pales d’éoliennes constituent une piste concrète : difficiles à recycler, elles pourraient représenter, selon des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory, environ 2,2 millions de tonnes de déchets cumulés aux États-Unis d’ici 2050, alors que leur durée de vie actuelle avoisine 20 ans. Prolonger leur usage ne réglerait pas le problème du recyclage, mais pourrait en retarder l’ampleur.
L’autre débouché envisagé concerne le spatial, où la maintenance classique est souvent hors de portée. Jason Patrick a détaillé, le 14 janvier, que cela présente une valeur évidente pour des technologies coûteuses et à grande échelle comme les avions et les éoliennes, mais que cela pourrait être exceptionnellement important pour des technologies comme les engins spatiaux, qui opèrent dans des environnements largement inaccessibles où une réparation via des méthodes conventionnelles sur site serait difficile, voire impossible.
Selon lui, une telle approche réduirait les coûts, la main-d’œuvre et les déchets liés au remplacement de pièces composites endommagées dans plusieurs secteurs industriels. La technologie a depuis été brevetée et licenciée via la startup Structeryx Inc.
