Autosurveillance structurelle, la prouesse des nouveaux polymères

Les polymères renforcés de fibres de carbone ont gagné du terrain ces dernières années. Grâce à leur légèreté et à leur résistance, ces matériaux sont utilisés par les constructeurs automobiles pour fabriquer des bolides de course et des voitures haut de gamme. Ils trouvent aussi des applications en aéronautique dans l’industrie civile et militaire. Or même s’ils possèdent de bonnes propriétés mécaniques, ils leur arrivent de subir des dommages, notamment par clivage entre les couches des différents matériaux, lorsque soumis à des contraintes trop fortes. De plus, leurs défauts structurels sont souvent invisibles à l’œil nu, ce qui peut causer des accidents graves. Ces matériaux restent tout de même convoités pour leur rapport résistance/poids qui représente un important facteur d’économie d’énergie.

Des chercheurs, du Oak Ridge National Laboratory (ministère de l’Énergie), au Tennessee, ont trouvé une solution innovante pour détecter les dommages invisibles dès qu’ils surviennent. En fait, c’est le matériau lui-même qui détecte ses propres défauts structurels et alerte sur son état. L’équipe a créé un nanomatériau qui possède une fonctionnalité électromécanique lui permettant, en cas de problèmes structurels, d’envoyer des signaux à, par exemple, l’ordinateur de l’avion. Comment fonctionne-t-il?

Les fibres de carbone sont revêtues de nanoparticules qui créent un réseau électrique. Lorsque le composite est soumis à des contraintes, la conductivité des fibres est perturbée et la résistance électrique dans le matériau change. C’est ce phénomène qui permet de détecter et d’évaluer l’intégrité de la structure.

Le composite se caractérise notamment par sa résistance, comparé aux autres polymères renforcés de fibres de carbone. Les chercheurs ont créé une méthode qui vise à produire le matériau à échelle industrielle et ont déposé une demande de brevet pour protéger le procédé de fabrication.

Un nouveau procédé de fabrication

Il s’agit d’un procédé rouleau à rouleau qui permet de recouvrir les fibres de carbone de nanoparticules semi-conductrices de carbure de silicium. La technique consiste à faire passer des bobines de fibre de carbone haute performance entre des rouleaux qui plongent la fibre dans de l’époxy chargé de nanoparticules mesurant de 45 à 65 nanomètres. La fibre est par la suite séchée dans un four pour en fixer le revêtement.

Tests électriques et mécaniques

L’équipe a effectué deux tests. Le premier a permis de vérifier la résistance du polymère. Les chercheurs ont également comparé les performances de composites contenant différentes quantités de nanoparticules afin de déterminer leur capacité à dissiper l’énergie. Cette caractéristique mécanique augmente la capacité des matériaux à résister aux chocs, aux vibrations et autres sources de contraintes et de déformations.

Le deuxième test a consisté à vérifier les capacités de détection du matériau par des tests de résistance mécanique dynamiques. Ces tests consistent à mesurer la variation de la résistance électrique d’un matériau soumis à des contraintes mécaniques de degrés d’intensité divers. Le composite le plus performant de manière globale montre une augmentation de 47,5 % pour l’évaluation de l’intégrité structurelle et une augmentation de 7,7 % de la résistance au clivage.

L’étude est coécrite par Christopher C. Bowland, Ngoc A. Nguyen et Amit K. Naskar. Elle s’intitule « Roll-to-Roll Processing of Silicon Carbide Nanoparticle-Deposited Carbon Fiber for Multifunctional Composites » et a été publiée dans ACS Applied Materials & Interfaces le 30 juillet 2018. La recherche a été financée par le Laboratory Directed Research and Development Program.