Une équipe d'ingénieurs de l'Université d'État de Caroline du Nord et de l'Université de Houston a récemment annoncé avoir développé un nouveau matériau composite renforcé de fibres, capable de se réparer de manière répétée plus de 1 000 fois après avoir subi des dommages structurels. Dans le même temps, sa résistance initiale est nettement supérieure à celle des matériaux composites traditionnels actuellement utilisés pour fabriquer des composants clés tels que les ailes d’avion et les pales d’éoliennes. Il a été décrit par les chercheurs comme un « changement de jeu » dans diverses applications clés. L'équipe de recherche estime que ce matériau devrait prolonger considérablement la durée de vie d'équipements clés tels que les automobiles, les avions, les engins spatiaux et les éoliennes.

Cette percée cible un problème courant de « défaillance du délaminage » dans les matériaux composites : pendant le service, la structure en couches à l'intérieur du polymère renforcé de fibres (FRP) se séparera progressivement au fil du temps, conduisant à des fissures, voire à une fracture. Le nouveau matériau est similaire en apparence au FRP traditionnel, mais sa conception structurelle est plus résistante et peut inhiber plus efficacement le délaminage, la propagation des fissures et les dommages structurels globaux.

Selon les rapports, les chercheurs ont utilisé la technologie d'impression tridimensionnelle pour intégrer une couche intermédiaire d'un « agent auto-cicatrisant » thermoplastique avec un motif spécifique entre les couches du matériau composite, obtenant ainsi des capacités anti-délaminage considérablement améliorées. Cette couche intermédiaire est constituée de poly(acide éthylène-co-méthacrylique) (EMAA), ce qui augmente la résistance du matériau aux dommages dus au délaminage d'environ 2 à 4 fois par rapport au FRP ordinaire, réduisant ainsi considérablement la génération de fissures et les dommages structurels.

En plus de la couche intermédiaire d'agent auto-cicatrisant, une couche chauffante à base de carbone est également intégrée à l'intérieur du matériau. Cette conception est considérée comme une autre innovation clé. Lorsqu'un courant externe est appliqué, ces couches chauffantes chauffent et font fondre la couche intermédiaire EMAA, la faisant s'écouler dans de minuscules fissures, remplir et « souder » l'interface endommagée, et terminer le processus dit de « réparation thermique ». Le mécanisme provient du réenchevêtrement et de la reconstruction des chaînes polymères.

Afin de vérifier la capacité d'auto-guérison de ce nouveau matériau, les chercheurs ont simulé l'environnement de service réel en appliquant des charges de traction et en créant artificiellement des défauts de délaminage d'environ deux pouces de longueur dans les spécimens. Par la suite, l'équipe a activé le processus d'auto-réparation à plusieurs reprises et a effectué à plusieurs reprises ce test de chargement-dommage-réparation pendant 40 jours maximum, pour un total de 1 000 cycles afin d'évaluer le maintien de l'intégrité structurelle du matériau dans des conditions de dommages et de réparations répétées.

Les résultats expérimentaux montrent que le matériau peut toujours réparer efficacement les dommages internes après plusieurs cycles d'auto-guérison et maintenir une ténacité élevée sans dégradation structurelle évidente. Sur cette base, l'équipe de recherche a estimé que si ce matériau était adopté à grande échelle dans des industries telles que l'aérospatiale, les énergies renouvelables et l'automobile, la durée de vie des composants clés devrait être prolongée des décennies habituelles actuelles à des centaines d'années.

Jack Turicek, le premier auteur de l'article, a déclaré que par rapport aux matériaux composites traditionnels, ce nouveau matériau est plus résistant dès le départ et peut mieux résister aux dommages structurels pendant au moins 500 cycles de réparation. Bien que la ténacité du matériau diminue progressivement à mesure que le nombre de réparations augmente, ce processus de dégradation est très lent, ce qui peut théoriquement prolonger la durée de vie utile des pièces concernées à environ 500 ans, alors que la durée de vie typique des matériaux composites FRP traditionnels n'est généralement que de 15 à 40 ans.

Les chercheurs ont souligné que si ce matériau pouvait être utilisé dans des applications d'ingénierie, il contribuerait à réduire les coûts d'exploitation et de maintenance en prolongeant la durée de vie des composants clés et en réduisant la fréquence de remplacement. Cela réduira également la consommation d'énergie et les émissions de déchets solides industriels en réduisant les besoins de fabrication et de remplacement, ce qui aura une importance positive pour la gestion des déchets industriels et la protection de l'environnement. Cependant, ils ont également souligné que les tests actuels sont encore principalement effectués en laboratoire et que les matériaux doivent subir des tests à long terme dans des conditions de travail réelles avant de pouvoir véritablement être considérés comme des solutions d'ingénierie matures et fiables.