Les composites polymères renforcés de fibres (PRF), des matériaux intrinsèquement difficiles à réparer et à recycler, sont utilisés pour construire des avions plus légers, moins consommateurs en carburant, avec un impact carbone réduit.

Ils sont constitués de couches de fibres de verre ou de carbone, reliées entre elles par une matrice polymère, souvent de l'époxy. Avec le temps, au bout de quelques dizaines d'années, parfois moins, ou à l'occasion d'un choc, de petites fissures se forment au sein du composite, qui finit par se cisailler et par rompre. C'est à ce phénomène, appelé délaminage, que ce nouveau matériau auto-réparateur, mis au point par les équipes du Département du génie civil, de la construction et de l'environnement de l'université de Caroline du Nord, apporte une réponse.

Un composite augmenté pour être résistant sur la durée

Proche des composites PRF classiques, il présente deux améliorations majeures qui lui donnent une durabilité hors norme. Tout d'abord, un agent de réparation thermoplastique imprimé en 3D est appliqué sur le renfort fibreux, créant ainsi une couche intermédiaire qui rend le composite deux à quatre fois plus résistant au délaminage.

Ensuite, les chercheurs intègrent au matériau de fines couches de carbone qui deviennent très chaudes sous l'effet d'un courant électrique. Cette température élevée fait fondre l'agent de réparation, qui pénètre alors dans les fissures et les micro-fractures pour les colmater, ce qui permet de restaurer les performances structurelles du composite.

Une durée de vie largement supérieure

Le matériau ainsi amélioré pourrait résister au délaminage pendant 500 ans en bénéficiant d'une auto-réparation annuelle, contre 15 à 40 ans habituellement.

Pour arriver à cette conclusion, les chercheurs ont conçu un système de test automatisé qui applique de manière répétée une force de traction à un composite PRF, provoquant un délaminage de 50 millimètres de long, et qui déclenche ensuite une réparation thermique. Le dispositif expérimental a permis de réaliser 1 000 cycles de réparation en continu sur 40 jours, le composite retrouvant de parfaites performances structurelles pendant les 500 premiers, et des capacités un peu moins bonnes lors des 500 suivants.

Nombreuses applications

En pratique, cette méthode permet de déclencher la réparation dès que des signes d'usure sont constatés, ou lorsque le composite a été endommagé par un impact. Elle dépasse le simple périmètre de l'aéronautique car les composites polymères renforcés de fibres sont également utilisés pour fabriquer les pales des éoliennes, ainsi que des châssis et des panneaux de carrosserie dans le secteur de l'automobile.

Les chercheurs travaillent encore à l'amélioration du processus pour parvenir à de meilleurs résultats, ce qui laisse augurer un prolongement plus que conséquent de la durée de vie des avions, et potentiellement des éoliennes et des automobiles.