La nouvelle technologie résout des défis de longue date pour soi

Des chercheurs en ingénierie ont développé un nouveau composite auto-cicatrisant qui permet aux structures de se réparer elles-mêmes sur place, sans avoir à être mises hors service. Cette dernière technologie résout deux défis de longue date pour les matériaux auto-réparateurs et peut prolonger considérablement la durée de vie des composants structurels tels que les pales d'éoliennes et les ailes d'avion.

"Les chercheurs ont développé une variété de matériaux auto-cicatrisants, mais les stratégies précédentes pour les composites auto-cicatrisants ont été confrontées à deux défis pratiques", explique Jason Patrick, auteur correspondant du document de recherche et professeur adjoint de génie civil, de la construction et de l'environnement à North. Université d'État de Caroline. « Premièrement, les matériaux doivent souvent être mis hors service pour pouvoir guérir. Par exemple, certains nécessitent un chauffage dans un four, ce qui n'est pas possible pour de gros composants ou pendant qu'une pièce donnée est en cours d'utilisation. Deuxièmement, l’auto-guérison ne fonctionne que pendant une période limitée. Par exemple, le matériau pourrait être capable de guérir plusieurs fois, après quoi ses propriétés d'auto-réparation diminueraient considérablement. Nous avons mis au point une approche qui répond à ces deux défis de manière significative, tout en conservant la résistance et les autres caractéristiques de performance des composites à fibres structurelles. Concrètement, cela signifie que les utilisateurs peuvent compter sur un composant structurel donné, tel qu'une pale d'éolienne, pendant une période beaucoup plus longue sans se soucier d'une panne. « En augmentant la longévité de ces composites, nous les rendons plus durables », explique Patrick. « Et même si les pales d’éoliennes en sont un bon exemple, les composites structurels se retrouvent dans une grande variété d’applications : ailes d’avion, satellites, composants automobiles, articles de sport, etc. » Voici comment fonctionne le nouveau composite renforcé de fibres auto-réparateur. Les composites laminés sont fabriqués à partir de couches de renfort fibreux, par exemple de verre et de fibre de carbone, liées ensemble. Les dommages surviennent le plus souvent lorsque la « colle » qui lie ces couches entre elles commence à se décoller du renfort ou à se délaminer. L’équipe de recherche a résolu ce problème en imprimant en 3D un motif d’agent cicatrisant thermoplastique sur le matériau de renforcement. Les chercheurs ont également intégré de fines couches « chauffantes » dans le composite. Lorsqu’un courant électrique est appliqué, les couches chauffantes se réchauffent. Ceci, à son tour, fait fondre l’agent cicatrisant, qui s’écoule dans les fissures ou microfractures du composite et les répare. "Nous avons constaté que ce processus peut être répété au moins 100 fois tout en conservant l'efficacité de l'auto-guérison", explique Patrick. "Nous ne savons pas quelle est la limite supérieure, s'il y en a une." Le thermoplastique imprimé améliore également la résistance inhérente à la rupture jusqu'à 500 %, ce qui signifie qu'il faut plus d'énergie pour provoquer le délaminage en premier lieu. De plus, l'agent cicatrisant et les couches chauffantes sont toutes constituées de matériaux facilement disponibles et sont relativement peu coûteuses. « Même si la fabrication de composites intégrant notre conception serait légèrement plus coûteuse, le coût serait plus que compensé par une prolongation significative de la durée de vie du matériau », explique Patrick. Un autre avantage de la nouvelle technologie est que, s’ils étaient intégrés aux ailes des avions, les éléments chauffants internes permettraient aux compagnies aériennes de cesser d’utiliser des agents chimiques pour éliminer la glace des ailes lorsque les avions sont au sol, mais aussi pour dégivrer en vol. « Nous avons démontré que cette technologie multifonctionnelle fonctionne », déclare Patrick. « Nous recherchons désormais des partenaires gouvernementaux et industriels pour nous aider à adapter ces composites à base de polymères en vue d'une utilisation dans des applications spécifiques. »

L’article intitulé « Auto-guérison prolongée in situ dans les composites structurels via un enchevêtrement thermo-réversible » est publié en libre accès dans la revue Nature Communications. Le premier auteur de l’article est Alexander Snyder, titulaire d’un doctorat. étudiant à NC State. L'article a été co-écrit par Zachary Phillips et Jack Turicek, Ph.D. étudiants de NC State; Charles Diesendruck du Technion – Institut israélien de technologie ; et Kalyana Nakshatrala de l'Université de Houston. Le travail a été réalisé avec le soutien du Bureau de recherche scientifique de l’US Air Force, sous le numéro de subvention FA9550-18-1-0048 ; et le programme stratégique de recherche et de développement environnemental du ministère de la Défense, sous le numéro de subvention W912HQ21C0044.