Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord développent un composite polymère renforcé de fibres autoréparant

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont mis au point un composite polymère renforcé de fibres (PRF) capable de réparer ses propres dommages structurels plus d’un millier de fois. Les composites PRF sont constitués de couches de fibres de verre, de carbone ou d’autres matériaux intégrées dans une matrice polymère, et sont largement utilisés dans les éoliennes, les avions et les véhicules aérospatiaux en raison de leur excellent rapport résistance/poids. Toutefois, un mode de défaillance récurrent dans ces matériaux est le délaminage interlaminaire, un phénomène par lequel des fissures séparent les couches de fibres de la matrice environnante. L’étude menée à l’Université d’État de Caroline du Nord s’est attachée à résoudre ce problème en incorporant une substance thermoplastique cicatrisante – imprimée en 3D sous forme de couche intermédiaire — au niveau du renfort fibreux. Résultat : une résistance au délaminage multipliée par deux, voire par quatre, par rapport aux composites standards. L’innovation majeure repose sur l’intégration de couches à base de carbone électrifiées au sein du composite, capables de générer de la chaleur lorsqu’un dommage est infligé. Cette élévation de température provoque la fusion partielle de la couche intermédiaire thermoplastique, qui s’infiltre alors dans les fissures, permettant le re-liaisonnement des interfaces délaminées. Des essais automatisés ont soumis le matériau à des délaminages de 5 cm, suivis de cycles d’autoréparation répétés 1 000 fois sur une période de 40 jours. L’équipe de recherche a qualifié les performances obtenues d’un ordre de grandeur supérieur à leur précédent record. « Parce que notre composite est initialement nettement plus résistant que les composites conventionnels, ce matériau autoréparant résiste mieux à la fissuration que les composites stratifiés actuellement disponibles pendant au moins 500 cycles. Et bien que sa ténacité interlaminaire diminue après des réparations répétées, cette diminution est très progressive », a déclaré Jack Turicek, doctorant et coauteur de l’étude, publiée dans les Comptes rendus de l’Académie nationale des sciences des États-Unis. Des projections fondées sur la fréquence des cycles de réparation indiquent que le matériau pourrait durer 125 ans avec des réparations trimestrielles, ou jusqu’à 500 ans avec un seul cycle annuel de régénération. Jason Patrick, auteur correspondant et professeur associé au Département de génie civil, de construction et de l’environnement de l’Université d’État de Caroline du Nord, a affirmé que cette technologie permettrait de « réduire considérablement les coûts et la main-d’œuvre associés au remplacement de composants composites endommagés, ainsi que de diminuer la consommation d’énergie et la production de déchets dans de nombreux secteurs industriels — puisqu’il y aura moins de pièces défectueuses à inspecter, réparer ou jeter manuellement ». Par l’intermédiaire de son entreprise Structeryx Inc., Jason Patrick avait déjà accordé des licences sur cette technologie au moment de la publication.