De tout temps, des matériaux nouveaux ont accompagné le progrès scientifique et technique. Si travailler l’infiniment petit représente la rupture de technologie la plus marquante de ces vingt dernières années, d’autres révolutions se préparent. Fortement corrélés à des procédés de fabrication en constante adaptation, les matériaux d’aujourd’hui et de demain sont des produits de synthèse high tech, prennent la forme de composites aux combinaisons presque infinies ou se structurent différemment pour des propriétés inédites. Des matériaux à l’imagination débordante, impensables il y a quelques années encore.
SOMMAIRE
– De quoi se compose un composite ?
– Métamatériaux invisibles ou opaques
– La métamorphose du niobate de lithium
Particules de rutile dans des implants en céramique, inclusions de sisal dans une matrice polymère, structuration d’un cristal en niobate de lithium pour de nouvelles propriétés photoniques et acoustiques…, les recherches en matière de matériaux prennent de multiples directions. Elles répondent à la volonté d’améliorer leur ratio performance / coût, au souhait de limiter l’impact environnemental sur l’ensemble de leur cycle de vie, ou encore de leur conférer de nouvelles fonctionnalités.
Quarante ans après avoir amorcé une rupture de technologie, la création de composites explose. Les alliages à mémoire de forme sont remis au goût du jour et les polymères cherchent à remplacer les métaux. Les lois de l’infiniment petit postulent que les propriétés physiques des matériaux augmentent, voire se modifient à mesure que l’on diminue leur échelle, et imposent sans cesse de nouvelles questions. En permanente adaptation, les procédés de fabrication autorisent la mise au point de nouveaux produits, largement aidés dans leur quête par les outils numériques. Grâce à la modélisation, il est désormais possible de se représenter et de simuler les propriétés non seulement mécaniques, mais aussi optiques ou électriques d’un matériau, de chercher à anticiper la structure à lui donner pour qu’il témoigne des meilleures performances. Dans ce contexte, mêler expérimentation et modèles prédictifs constitue aujourd’hui la voie du progrès.
Utilisation des matériaux par l'homme au cours des temps
(adapté d'une source d'ASM International, Materials Park, OH, USA)
L’appellation « composite » est donnée à un produit original dès lors qu’il se compose d’au moins deux matériaux de classes différentes : polymères, céramiques et alliages métalliques.
Composite pouvant fonctionner à de très hautes températures, un abradable est une combinaison des trois. Dans les réacteurs d’avion, il se glisse entre les étages du compresseur ou ceux de la turbine (mobiles) et la paroi du stator (fixe) pour former un joint, en remplacement du jeu fonctionnel habituellement nécessaire entre les deux parties du moteur. Ce joint limite les pertes de gaz en périphérie et assure ainsi un meilleur rendement du réacteur, sans risque d’endommagement du sommet des aubes, grâce à la faculté du matériau abradable à s’user plus vite que les ailettes avec lesquelles il est en contact. « À l’objectif d’augmenter le rendement du réacteur correspondent des enjeux économiques énormes » souligne Ghislain Montavon, directeur de l’IRTES, l’Institut de recherche sur les transports, l’énergie et la société, de l’UTBM. Fort de son expérience dans la mise au point de matériaux abradables, l’IRTES vient de s’engager dans un nouveau programme européen conclu pour quatre ans sur ce sujet (après deux autres sur la même thématique). Le programme E-BREAK affiche un budget total de vingt-neuf millions d’euros, dont dix-huit millions d’aides de la Communauté européenne.
Vue en coupe d’un composite : métal (alliage de nickel) – céramique (argile colloïdale) – polymère thermoplastique (polyester), fonction : joints abradables, application : turbines aéronautiques (source : IRTES)
Réduire les frottements est d’ailleurs une préoccupation récurrente des chercheurs en mécanique, à laquelle les composites peuvent répondre.
À l’Institut FEMTO-ST, on travaille à rendre les polymères autolubrifiants ou antiadhérents pour éviter le collage des joints de robinet en élastomère par exemple. Pour ce faire, on ajoute aux polymères du graphite, aux propriétés lubrifiantes et antiusure éprouvées. « Tout l’enjeu de la recherche consiste à renforcer les caractéristiques mécaniques du matériau, rendu plus fragile par cette opération » précise Guy Monteil, responsable du département de Mécanique appliquée à l’Institut FEMTO-ST.
Dans la famille des composites, l’équipe Matériaux et surfaces structurés de l’Institut UTINAM conduite par Michael Knorr a fait le choix de coupler les propriétés de matériaux organiques et inorganiques dans des hybrides. « Du côté de la matrice minérale, outre leur faible coût, les silices offrent une bonne résistance mécanique et une dureté importante », explique Myriam Euvrard. Elles constituent un excellent substrat apte à supporter un matériau organique selon différents processus relevant de la chimie fine. Le greffage établit des liaisons covalentes entre silice et groupements de silanes, dont la composition varie en fonction des propriétés escomptées. Par interaction intermoléculaire, la matrice peut être encapsulée par un biopolyélectrolyte comme le chitosane, que l’on trouve notamment dans les coquilles des crustacés. Le chitosane présente des groupements fonctionnels susceptibles de retenir les métaux et, à ce titre, entre dans la composition de capteurs de dépollution.
À l’opposé des métaux lourds dont on veut se débarrasser, certains métaux nobles comme le palladium ou le platine sont très prisés des chercheurs. Supportés par la matrice de silice, ils servent de catalyseurs immobilisés pour unir deux molécules organiques simples par couplage carbone – carbone dans une molécule plus complexe, aux propriétés choisies. Le domaine pharmaceutique ou l’obtention de macromolécules par polymérisation catalytique sont ici particulièrement concernés. Et pour répondre au souci actuel d’augmenter la durée de vie des matériaux, l’ensemble silice / métal est recyclable.
Ensemble de composites silice / chitosane
Les composites représentent une alternative aux matériaux conventionnels. À l’IRTES, les recherches s’orientent par exemple vers le remplacement du cobalt utilisé dans les réacteurs des centrales nucléaires (environ 5 tonnes par réacteur) pour ses propriétés de frottement, par une matrice fer à laquelle on ajoute des charges céramiques pour obtenir des performances équivalentes permettant de pallier l’inconvénient majeur du cobalt dans cette application : activé sous le flux neutronique (60Co), il devient radioactif, exposant plus les opérateurs des centrales lors d’opérations de maintenance et retardant les phases de démantèlement. Dans des applications plus traditionnelles, la substitution du cobalt et de ses alliages par des matériaux composites offre d’autres avantages : en raison d’un prix de marché très fluctuant, le cobalt est un matériau difficile à gérer en termes d’achats ; de plus il fait partie des métaux lourds aujourd’hui pointés du doigt pour des raisons évidentes de protection de l’environnement.
Le composite vient aussi remplacer… le composite. Présentant des propriétés remarquables de résistance à l’usure par abrasion, même à de relativement hautes températures (~ 800°C), le composite céramométallique carbure de tungstène / cobalt pèse également lourd dans la balance environnementale. Les expériences montrent qu’il est désormais possible d’abandonner ce composite au profit de l’alumine renforcée de charges céramiques, dont l’échelle est alors fortement réduite pour obtenir un matériau finement structuré aux propriétés décuplées, là encore pour des performances au final comparables, avec une empreinte environnementale moindre.
Dans ce contexte de protection de l’environnement, les fibres issues des plantes font naturellement leur apparition dans les matériaux composites. Pressenti pour remplacer les fibres de verre et de carbone auxquelles l’industrie a actuellement recours, le chanvre représente un potentiel étudié depuis trois ou quatre ans au département de Mécanique appliquée de l’Institut FEMTO-ST. La variabilité de ses propriétés et la complexité inhérentes à tout produit naturel ont nécessité des outils sophistiqués et des mois de travail pour caractériser les propriétés de la fibre élémentaire. « Aujourd’hui nous entrons dans une phase d’intégration de la fibre à un polymère », raconte Vincent Placet.
Les modèles mathématiques et numériques se chargeront de simuler ses comportements, une opération répétée pour chacun des éléments du composite, selon une approche multiéchelle propre à FEMTO-ST. Cette méthode permet de prédire le comportement de la structure composite tout entière, ce qui représente un enjeu économique autant qu’un défi scientifique. Moyennant des améliorations de certaines de leurs propriétés, les fibres naturelles comme le chanvre pourraient concurrencer de manière efficace les fibres de verre dans certaines applications comme les résines époxy. Ces travaux donnent lieu à une thèse en cotutelle avec le Sénégal, aux importantes ressources en plantes annuelles pourvoyeuses de fibres.
Fibre de chanvre de diamètre 30 μm.
L’ablation d’une partie de la paroi de cette fibre a été réalisée à l’aide d’un faisceau d’ions focalisés
afin de laisser apparaître sa structure interne
Obtenir de bons composites dépend d’une alchimie savante entre la matière première et le procédé de mise en œuvre. À la manière d’une recette de cuisine pour laquelle le choix des ingrédients de base, le dosage des additifs et la maîtrise du mode de cuisson garantissent la réussite, la naissance de nombreux matériaux est assujettie au développement des techniques de fabrication les plus récentes.
Ainsi par exemple, grâce à l’agglomération par frittage, il est désormais possible de former un matériau à base de céramique et de métal, une association jusque-là impensable à réaliser. « On utilise des poudres que l’on chauffe fortement, sans cependant atteindre le point de fusion des matériaux à cœur. Soumises à cette température, les particules de matière s’agglomèrent entre elles », explique Guy Monteil, responsable du département de mécanique appliquée de FEMTO-ST. Le matériau obtenu semble monolithique, il ne présente pas de discontinuités entre grains, et ses performances peuvent être équivalentes à celles d’un monobloc coulé ou soudé.
La création de verres métalliques est, elle, directement liée à la vitesse du processus de solidification de l’alliage fondu qui les compose. Cette vitesse doit être extrêmement élevée pour empêcher les atomes de s’organiser, ce qui donne au verre ses propriétés et notamment sa transparence.
Les verres métalliques sont obtenus à la vitesse incroyable de solidification de 1 000 000°C/s. Plus résistants que les métaux, aussi durs que les céramiques et avec une élasticité proche de celle des polymères, ces BMG (bulk metallic glasses) présentent des propriétés inégalées, d’autant plus intéressantes qu’elles sont combinées.
Parfaits représentants de la famille des matériaux amorphes à laquelle ils appartiennent, les verres métalliques devraient pour certaines applications révolutionner le monde du matériau, aujourd’hui essentiellement dominé par les matériaux cristallins. À l’IRTES, les chercheurs et ingénieurs travaillent aussi bien à mettre au point les précurseurs en poudre par atomisation des matériaux fondus qu’à élaborer le verre métallique final en couches, selon différents procédés.
Les métacomposites voient plus loin encore que les composites, en incluant des circuits électroniques, des matériaux piézoélectriques, des capteurs et des résonateurs dans une matrice polymère. Leur conception repose sur une approche distribuée des lois de contrôle à l’intérieur d’une structure. Avec son équipe de chercheurs menée par Manuel Collet, le département de Mécanique appliquée de FEMTO-ST est le spécialiste de la question en France.
Dans un souci de réduction des coûts et notamment de la facture énergétique, l’industrie aéronautique, l’ingénierie civile ou encore la filière nucléaire utilisent des structures de plus en plus légères, qui posent par ailleurs des problèmes de robustesse, de stabilité et de fatigue, auxquels les métacomposites peuvent remédier. Pour leur garantir un fonctionnement optimal, il est crucial de maîtriser des vibrations d’autant plus importantes que les structures sont légères.
Des polymères amortissants sont inclus au matériau pour contrôler et empêcher la propagation d’ondes acoustiques de surface, sur ce que Manuel Collet appelle leur « peau active ». « Nous travaillons sur les fréquences audibles, entre quelques centaines et 20 000 hertz, ce qui représente une structuration centimétrique du matériau avec des inclusions de MEMS à l’échelle submillimétrique. »
Parallèlement à ce contrôle des vibrations, des capteurs et des actionneurs assurent des fonctions d’autoévaluation et d’adaptation du matériau par lui-même, ce qui le place dans la gamme futuriste des matériaux actifs.
« Peau active » antibruit
Les smart systems incorporés recueillent des données sur la santé des composants, leur niveau de fatigue, leur risque de rupture, et sont capables d’établir un pronostic sur leur durée de vie restante. Le contrôle de forme est une parfaite illustration des recherches menées à FEMTO-ST. Dans le matériau, un capteur est capable de saisir une information provenant de l’extérieur puis de la transmettre à un actionneur qui va déclencher une modification de la structure. Ainsi, une aile d’avion réalisée dans ce type de matériaux saura à l’avenir adapter sa forme en tenant compte de paramètres comme la vitesse d’écoulement de l’air pour optimiser par exemple la portance aérodynamique.
Des collaborations fortes sont engagées entre l’Institut FEMTO-ST et des industriels sur ces sujets porteurs d’avenir. En 2017, des travaux menés pour l’aviation avec SNECMA se concrétiseront dans des essais proches de la réalité. Les futurs lancements d’Ariane V (ASTRIUM) devraient donner lieu à des tests en vol dès 2015.
Dépassant les lois de la physique traditionnelle, les métamatériaux naissent, eux, de la structuration artificielle d’un matériau pour lui conférer des propriétés dynamiques nouvelles.
Le processus joue sur des dispositifs optiques ou acoustiques, et vient a contrario de la loi de réfraction des ondes prévalant pour la plupart des matériaux naturels : une onde est déviée lorsqu’elle passe d’un milieu à un autre selon un indice de réfraction positif. C’est l’exemple du crayon plongé dans un verre d’eau qui nous fait apparaître sa ligne comme brisée. En structurant la matière avec des formes géométriques, des vides et des trous, on crée les conditions pour obtenir un indice de réfraction négatif à l’intérieur d’un cristal par exemple : il devient alors possible de contrôler la propagation des ondes et de les confiner dans le matériau pour qu’il développe des fonctions irréalisables sans cette structuration arbitraire.
C’est grâce à ce phénomène que la cape d’invisibilité des récits quitte le domaine du fantastique pour devenir réalité dans les laboratoires de recherche, que l’on peut imaginer une chape antisismique protéger une ville des ondes les plus destructrices d’un tremblement de terre ou un sous-marin de 4 000 tonnes devenir indétectable pour un sonar. Ondes optiques ou acoustiques, c’est le même principe qui prévaut : guidées selon des indices de réfraction que l’on peut désormais leur imposer, les ondes sont déviées pour contourner un objet qui devient inexistant, à la manière du caillou dans une rivière, ignoré par le courant d’eau qui passe autour.
Au département Micro et nanosciences et systèmes (MN2S) de l’Institut FEMTO-ST, Abdelkrim Khelif travaille sur les métamatériaux acoustiques en enrichissant le processus de la notion de résonance locale. « Lorsque l’on structure un matériau en le perçant, les trous sont remplis d’air. Si la fréquence d’une onde acoustique correspond à celle de l’air qui s’y trouve, alors cette fréquence est piégée dans les trous. Mieux encore, ceux-ci fonctionnent comme des résonateurs et communiquent entre eux, ce qui amplifie le phénomène pour emprisonner de façon plus efficace encore les fréquences sonores indésirables. » Outre la structuration du matériau qui permettra le confinement des ondes, un bon accord de fréquences reste donc à trouver pour rendre le système performant.
Exemple d’une lentille acoustique plate constituée d’un métamatériau phononique.
Elle représente le champ de déplacement hors plan du point source et l’image obtenue de l’autre côté de la lentille plate
Les alliages à mémoire de forme doivent leurs propriétés à un principe de modification de leur organisation atomique. Sous l’effet de variations de température, les atomes se déplacent, toujours à une distance inférieure à l’espace prévalant entre eux : la structure cristallographique de l’alliage change, ainsi que ses propriétés, mais sa composition chimique reste intacte. La transformation est quasi instantanée : le matériau, tout en restant solide, passe d’une phase stable à haute température, l’austénite, à une phase stable à basse température, la martensite. L’alliage peut aussi changer de phase sous l’effet d’une contrainte mécanique où il se déforme jusqu’à un niveau de 10 %, soit cent fois celui des métaux traditionnels. Cette déformation est renversable sous certaines conditions, le matériau peut reprendre sa forme initiale ou retrouver la mémoire de sa forme, d’où son nom.
Parmi les alliages à mémoire de forme les plus courants, on trouve le NiTi ou nitinol (nickel / titane) et CuAlZn (cuivre / aluminium / béryllium). Ce premier type d’alliages est développé au niveau industriel depuis une quarantaine d’années. On leur doit l’hyperélasticité de certaines montures de lunettes, une force de traction constante dans les fils d’orthodontie et la régulation de la température de l’eau sortant des mitigeurs dans nos salles de bains.
Commande à distance
Au département MN2S de l’Institut FEMTO-ST, Laurent Hirsinger travaille en équipe sur des alliages à mémoire de forme de nouvelle génération, étudiés pour leurs propriétés magnétiques comme le NiMnGa (nickel / manganèse / gallium). Ce sont des alliages à mémoire de forme classiques dans lesquels le champ magnétique joue un rôle analogue à celui de la contrainte mécanique.
« On peut ainsi commander un actionneur uniquement avec un champ magnétique, ou avec l’assistance d’une contrainte mécanique pour assurer la répétition du mouvement. On peut aussi disposer d’un matériau avec des propriétés magnétiques très différentes, voire opposées, entre la martensite et l’austénite », explique Laurent Hirsinger. De tels matériaux n’existaient pas voilà seulement dix ans. Aujourd’hui s’élaborent à FEMTO-ST des films minces de ces alliages, des expériences de caractérisations qui servent à construire les modèles prédictifs de leurs comportements particuliers, et des idées de microdémonstrateurs.
Propriétés magnétocaloriques
Une des applications d’avenir est l’utilisation d’alliages du type NiCoMn (nickel / cobalt / manganèse) auxquels on ajoute une certaine proportion d’étain, d’aluminium ou de fer par exemple, et qui présentent des propriétés magnétocaloriques particulièrement intéressantes au voisinage de la température ambiante.
Sous l’effet du champ magnétique, de tels matériaux absorbent de la chaleur lors de leur changement de phase (martensite vers austénite) et peuvent être utilisés avec une meilleure performance énergétique pour réaliser des réfrigérateurs, climatiser une voiture ou refroidir le cœur d’un ordinateur.
Un projet ANR intitulé MAFHENIX, signé en janvier 2012, engage une collaboration à ce sujet entre les équipes de recherche des universités de Franche-Comté et de Grenoble, et les industriels SCHNEIDER ELECTRIC et APERAM.
Image obtenue par microscopie électronique à transmission à très haute résolution
révélant la nanostructure en plaquettes de martensite – Bernard et al. Eur. Phys. J. 158 (2008)
Le carton…
Abdelkrim Khelif veut mettre au point des structures capables d’isoler une habitation sur ce principe. L’idée est de réaliser des panneaux phononiques minces dans un matériau suffisamment léger et mou, comme le carton ou certains polymères, pour faciliter la communication entre les trous et piéger efficacement le bruit. Ces travaux font l’objet d’un contrat de deux ans avec la Région Franche-Comté, signé en fin d’année 2012. Un projet novateur s’appuyant sur la simulation numérique dans laquelle excelle la recherche française, et qui donnera lieu à des tests en condition réelle dans la chambre anéchoïque — c’est-à-dire sans réflexion acoustique — du département de Mécanique appliquée de l’Institut FEMTO-ST, impliqué dans ce projet tout autant que porteur d’une ANR jeunes chercheurs acceptée en octobre dernier. Il s’agit dans ce dernier programme de concevoir et optimiser la mise au point de matériaux composites à matrice de mousses polymères et à inclusions périodiques, une spécialité des chercheurs en mécanique comtois.
… et la mousse
La mousse est l’un des matériaux existants les plus efficaces en termes d’absorption acoustique, notamment pour les sons graves qui correspondent à de grandes longueurs d’onde. Afin de réduire l’épaisseur actuellement nécessaire pour qu’elle soit bien isolante, la mousse est là encore structurée pour lui conférer de meilleures performances. Tout l’art consiste à inclure des pores d’autres dimensions que celles qu’elle présente naturellement, et qui recevront des systèmes résonants comme de l’air, des billes métalliques… « Des bulles d’air se forment quand les deux composants sont mis en contact pour élaborer le polymère, bulles que l’on chasse par dégazage : on profite de la formation de ces bulles et on bloque le processus chimique de dégazage au moment adéquat pour obtenir la quantité et la répartition des bulles comme souhaité » explique Morvan Ouisse. L’objectif des travaux encouragés par cette ANR est d’optimiser chacune des étapes de la mise au point du matériau, depuis son élaboration jusqu’à son intégration dans des structures.
La lumière emprunte les mêmes chemins que le son et comme lui peut être piégée et guidée dans des matériaux structurés à cette intention. Au département d’optique de FEMTO-ST, on travaille sur le niobate de lithium, un matériau, qui, s’il n’est pas nouveau, adopte des comportements totalement inédits dès lors qu’il est structuré. Malgré les difficultés qu’il présente à l’usinage en raison de son extrême dureté, le niobate de lithium est le matériau de prédilection des chercheurs du laboratoire, l’un des rares dans le monde à s’attaquer à sa structuration. Ce matériau multiphysique change de propriétés dès lors qu’il est soumis à une influence externe, tension électrique, champ acoustique, faisceau lumineux… Dopé avec une terre rare comme l’erbium, il se transforme en source laser ; chargé en fer, il développe une mémoire holographique capable de stocker une masse considérable de données. Ces compétences, parmi d’autres, sont dues à une modulation très rapide de ses indices de réfraction.
La structuration du niobate de lithium sous la forme d’un cristal photonique à une échelle proche du nanomètre exalte encore ses propriétés, car elle permet de contrôler et de confiner le faisceau lumineux qui le traverse, selon des indices de réfraction choisis et à des longueurs d’ondes de très faibles dimensions.
Il est ainsi possible de ralentir la lumière de vingt, trente, voire quarante fois sa vitesse ! Et comme la lumière passe plus de temps dans le cristal, ses effets sont démultipliés d’autant, sur de très courtes distances. La structure rendue hypersensible produit des réactions puissance 3 ou 4 pour les mêmes tensions de commande : l’actionnement d’un modulateur de lumière ne nécessite plus qu’un voltage vingt fois inférieur à la tension habituellement requise.
« Une de nos forces à Besançon, où l’on travaille ce matériau depuis vingt-cinq ans, réside dans le fait de disposer dans les salles blanches de Mimento d’équipements dédiés au niobate de lithium » explique Maria-Pilar Bernal. Sa tendance à « contaminer » son environnement et à rendre périlleux l’usinage d’autres matériaux réalisés sur les mêmes machines, a en effet conduit au choix de réaliser des investissements spécifiques et précieux.
On l’aura compris, apprivoiser le niobate de lithium relève du défi, et les prouesses technologiques développées par le département d’optique comtois n’ont pas manqué d’attirer l’attention de la Défense américaine pour le développement d’électrodes à la base d’électroencéphalogrammes non invasifs.
Ce contrat exceptionnel vient de se conclure au terme de trois ans de recherches fructueuses ; il pourrait se voir relayé au niveau national dans un projet lui aussi partant de la détection des très faibles champs électriques émis par le cerveau.
Contacts :
IRTES – Université de technologie de Belfort – Montbéliard
Ghislain Montavon – Tél. (0033/0)3 84 58 30 23
Institut FEMTO-ST – Université de Franche-Comté / ENSMM / UTBM / CNRS
Département de mécanique appliquée
Guy Monteil – Tél. (0033/0)3 81 66 60 02
Vincent Placet – Tél. (0033/0)3 81 66 60 55
Manuel Collet – Tél. (0033/0)3 81 66 67 28
Morvan Ouisse – Tél. (0033/0)3 81 66 60 46
Département MN2S
Abdelkrim Khelif – Tél. (0033/0)3 81 85 39 31
Laurent Hirsinger – Tél. (0033/0)3 81 85 39 63
Département d’optique
Maria-Pilar Bernal – Tél. (0033/0)3 81 66 64 10
Institut UTINAM – Université de Franche-Comté / CNRS
Matériaux et surfaces structurés
Michael Knorr – Tél. (0033/0)3 81 66 62 70
Myriam Euvrard – Tél. (0033/0)3 81 66 20 45
