Des polymères autoréparables pour les composites aéronautiques

L'utilisation de matériaux composites autoréparables pourrait dynamiser le secteur de l'aéronautique en réduisant les coûts de réparation. Le projet HIPOCRATES, financé par l'UE, a réalisé plusieurs composites contenant des polymères autoréparables. Les tests ont montré qu'une fois réparés, ces matériaux peuvent résister à des impacts plus violents.

Ne nécessitant qu'un entretien minimal, les matériaux autoréparables ont la capacité de réparer eux-mêmes les microfissures et cassures qu'ils subissent. Ils sont devenus un véritable Graal pour l'industrie aérospatiale. HIPOCRATES a réalisé un pas de plus vers leur utilisation, en concevant des composites autoréparables à base d'époxy. Les chercheurs ont basé ces nouveaux matériaux autoréparables sur des résines déjà largement utilisées, afin de les incorporer facilement dans les actuelles méthodes de production aérospatiales.

Les matériaux composites polymères stratifiés sont utilisés dans des pièces d'avion telles que les hélices, le fuselage et les composants intérieurs. Mais les microfissures constituent un problème majeur car elles réduisent la résistance de ces matériaux. Jusqu'à présent, les réparations nécessitaient une intervention manuelle, mais le développement de matériaux polymères autoréparables au cours de la dernière décennie pourrait faire évoluer les choses. Des mécanismes d'autoréparation ont déjà été étudiés pour le béton, l'asphalte, les hydrogels et les polymères biomédicaux. "Cette stratégie est une voie prometteuse pour prolonger la durée de vie des composants à base de polymère", déclare la coordinatrice du projet, le docteur Sonia Flórez de TECNALIA à Saint-Sébastien en Espagne.

La conception de matériaux composites structurels à base de polymères autoréparables destinés à l'industrie aérospatiale a été un défi, selon le Dr Flórez qui indique que "plusieurs limitations pratiques doivent être surmontées". Celles-ci comprenaient la vitesse de réparation, la stabilité du processus ainsi que les coûts des matériaux et de production. "La compatibilité de ces technologies avec les méthodes actuelles de traitement et de fabrication est également cruciale", ajoute-t-elle. Pour parvenir à ses fins, HIPROCRATES a intégré des produits chimiques autoréparables connus dans des systèmes de résine époxy déjà couramment utilisés dans les composites aérospatiaux, et développé des méthodes pour intégrer les technologies d'autoréparation dans les techniques de traitement existantes.

Le projet HIPOCRATES a étudié deux stratégies d'autoréparation différentes. L'une d'elles met en œuvre l'encapsulation des microfissures. Le Dr Flórez explique que "des microcapsules contenant des agents d'autoréparation sont ajoutées au mélange de polymères des composites, dans lequel a déjà été dispersé un catalyseur démarrant la réaction. Lorsqu'une microfissure se produit, les capsules se brisent et libèrent l'agent réparateur, qui entre en contact avec le catalyseur. La réaction de polymérisation qui en résulte referme la fissure et bloque son développement ultérieur". HIPOCRATES a réussi à améliorer cette stratégie en développant un système d'autoréparation basé sur une "microcapsule tout en un" entièrement autonome. Plutôt que de disperser le catalyseur dans la matrice de résine, celui-ci est enfermé dans l'enveloppe des capsules à une concentration plus élevée, ce qui se traduit par une meilleure efficacité de la réaction de réparation.

La deuxième méthode a consisté à utiliser des polymères réversibles. "Ces matériaux contiennent des liaisons internes, qui répareront les dégâts et combleront une fissure lorsqu'ils recevront un stimulus externe tel que la chaleur, un rayonnement ou une induction électrique", déclare-t-elle. Ce comportement peut être obtenu en utilisant divers polymères réversibles. HIPROCRATES en a synthétisé et testé deux, qui sont compatibles avec les systèmes époxy et peuvent être fabriqués à partir de matières premières peu coûteuses et disponibles sur le marché.

Les matériaux conçus par HIPOCRATES ont été testés dans des démonstrateurs à petite échelle, en reproduisant les impacts à grande vitesse subis par les avions, du fait par exemple de collisions avec des oiseaux, des débris ou la grêle. L'effet de compression sur les matériaux réparés a été testé pour voir s'ils subiraient un délaminage et une rupture.

Une analyse par ultrasons des nouveaux matériaux testés a permis de déterminer que les dégâts dus aux impacts et à la compression pourraient être atténués grâce à l'utilisation de matériaux autoréparables. "L'incorporation de capsules a apporté une certaine protection contre l'impact initial. Mais après réparation, nous avons montré que les deux stratégies assurent une meilleure résistance à la compression qu'auparavant", explique le Dr Flórez. Les nouveaux matériaux ont montré une élévation de 5 à 10 % de la résistance aux forces de compression, rendant ainsi les matériaux réparés résistants à des impacts qui, avant la réparation, auraient causé des dégâts.

Avant de pouvoir être utilisés dans des applications réelles, les nouveaux composites conçus par le projet HIPOCRATES doivent encore subir des tests complémentaires. L'équipe espère cependant que dans les cinq années à venir ces matériaux autoréparables pourront contribuer à réduire le coût des avions en fournissant une alternative aux essais et aux réparations manuels coûteux.