Un plastique intelligent révolutionnaire : auto-cicatrisant, changeant de forme et plus résistant que l'acier
Des chercheurs en ingénierie aérospatiale et en science des matériaux de l'université A&M du Texas ont découvert de nouvelles propriétés d'un plastique ultra-durable, recyclable et intelligent, ouvrant la voie à des applications transformatrices dans les secteurs de la défense, de l'aérospatiale et de l'automobile.
Mohammad Naraghi présente l'ATSP, le plastique intelligent à base de fibre de carbone.
Dr. Mohammad Naraghi/Texas A&M University College of Engineering
Cette avancée, financée par le ministère américain de la défense et publiée dans Macromolecules et Journal of Composite Materials, a été réalisée par Mohammad Naraghi, directeur du laboratoire des matériaux nanostructurés et professeur d'ingénierie aérospatiale à l'université Texas A&M, en étroite collaboration avec Andreas Polycarpou, de l'université de Tulsa.
Leurs travaux ont porté sur l'intégrité mécanique, la récupération de la forme et les propriétés d'autoréparation d'un composite plastique avancé à base de fibres de carbone appelé copolyester aromatique thermodurcissable (ATSP).
Guérir les dommages à la demande
L'ATSP ouvre de nouvelles frontières dans les secteurs où les performances et la fiabilité sont essentielles et où l'échec n'est pas une option.
"Dans les applications aérospatiales, les matériaux sont soumis à des contraintes extrêmes et à des températures élevées", explique M. Naraghi. "Si l'un de ces éléments endommage une pièce d'un avion et perturbe l'une de ses principales applications, il est possible de procéder à une autoréparation à la demande.
À mesure que l'ATSP mûrit et prend de l'ampleur, il est susceptible de transformer les industries commerciales et de consommation, en particulier le secteur de l'automobile.
"Grâce aux échanges de liaisons qui ont lieu dans le matériau, il est possible de rétablir les déformations d'une voiture après une collision et, surtout, d'améliorer considérablement la sécurité du véhicule en protégeant le passager", a déclaré M. Naraghi.
L'ATSP est également une alternative plus durable aux plastiques traditionnels. Sa recyclabilité fait de ce matériau un candidat idéal pour les industries qui cherchent à réduire les déchets environnementaux sans compromettre la durabilité ou la résistance.
"Ces vitrimères, lorsqu'ils sont renforcés par des fibres discontinues, peuvent subir des cycles de niveau - vous pouvez facilement les écraser et les mouler dans une nouvelle forme, et cela peut se produire sur de très nombreux cycles, et la chimie du matériau ne se dégrade pratiquement pas", a-t-il déclaré.
Découvrir les capacités des ATSP
"Les ATSP sont une classe émergente de vitrimères qui combinent les meilleures caractéristiques des plastiques traditionnels", explique M. Naraghi. "Ils offrent la flexibilité des thermoplastiques et la stabilité chimique et structurelle des thermodurcissables. Ainsi, lorsqu'ils sont associés à des fibres de carbone solides, on obtient un matériau qui est plusieurs fois plus résistant que l'acier, tout en étant plus léger que l'aluminium".
Ce qui différencie l'ATSP des plastiques traditionnels, ce sont ses capacités d'autocicatrisation et de reprise de forme.
"La reprise de forme et l'autoréparation sont deux facettes d'un même mécanisme", explique M. Naraghi. Dans le cas de la reprise de forme, il s'agit de l'échange de liaisons au sein d'un morceau de matériau continu - une sorte d'"intelligence" intégrée. Dans le cas de l'autoréparation, il y a une discontinuité dans le matériau, comme une fissure. Ce sont ces propriétés que nous avons étudiées.
Pour étudier ces propriétés, les chercheurs ont utilisé un nouveau test de contrainte appelé test de fluage cyclique.
"Nous avons appliqué des cycles répétés de charges de traction, ou d'étirement, à nos échantillons, en surveillant les changements dans la manière dont le matériau accumule, stocke et libère l'énergie de déformation", explique Naraghi.
En utilisant la charge cyclique, les chercheurs ont identifié deux températures critiques dans le matériau.
"La première est la température de transition vitreuse, ou la température à laquelle les chaînes de polymères peuvent se déplacer facilement, et la seconde est la température de vitrification. C'est la température à laquelle ces liaisons sont suffisamment activées thermiquement pour que l'on puisse observer des échanges massifs de liaisons afin de provoquer la cicatrisation, le remodelage et la récupération", a-t-il déclaré.
L'équipe a ensuite procédé à des essais de fatigue par flexion à cycle profond, en chauffant périodiquement le matériau à environ 160 degrés Celsius pour déclencher l'auto-guérison.
Leurs résultats ont montré que les échantillons d'ATSP ont non seulement supporté des centaines de cycles de contrainte et de chauffage sans défaillance, mais qu'ils sont devenus plus durables au cours du processus de cicatrisation.
Tout comme la peau peut s'étirer, cicatriser et reprendre sa forme initiale, le matériau s'est déformé, a cicatrisé et s'est "souvenu" de sa forme initiale, devenant ainsi plus durable qu'à l'origine", a déclaré M. Naraghi.
Fissurer, guérir, répéter
Naraghi et son équipe ont soumis l'ATSP résistant à la chaleur à cinq cycles de stress exténuants, chacun suivi d'une exposition à une température élevée de 280 degrés Celsius.
L'objectif ? Évaluer les performances du matériau et ses propriétés d'autoréparation.
Après deux cycles complets de cicatrisation, le matériau a retrouvé presque toute sa résistance. Au cinquième cycle, l'efficacité de la cicatrisation est tombée à environ 80 % en raison de la fatigue mécanique.
"En utilisant l'imagerie à haute résolution, nous avons observé que le composite après endommagement et cicatrisation était similaire à la conception originale, bien que les dommages répétés aient provoqué une usure mécanique localisée attribuée à des défauts de fabrication", a déclaré M. Naraghi.
Cependant, la stabilité chimique du matériau et ses comportements d'autoréparation sont restés fiables au cours des cinq cycles.
"Nous avons également observé qu'il n'y avait pas de dégradation thermique ou de rupture dans le matériau, ce qui démontre sa durabilité même après les dommages et la cicatrisation", a déclaré M. Naraghi.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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