Matériaux à mémoire de forme : Comment ils se plient, rebondissent et se transforment sous l'effet de la chaleur

Aujourd'hui, nous vous présentons sur notre blog un type de matériau d'une importance croissante : les matériaux à mémoire de forme.

Ces matériaux ont la particularité de pouvoir être déformés, puis de retrouver leur forme initiale lorsqu'on leur applique un stimulus externe (généralement la température). Comme nous l'avons mentionné dans un précédent article, il s'agit d'un matériau intelligent.

Prenez un exemple : qui n'a jamais tordu un couvert ou une épingle ? Imaginez qu'en les posant simplement sur un radiateur, ils reprennent leur forme d'origine. C'est possible avec ce type de matériaux, et leurs avantages ne s'arrêtent pas là.

Qu'est-ce que c'est ?

Comme nous l'avons dit, les matériaux à mémoire de forme, après avoir subi une déformation, peuvent retrouver leur forme initiale. Décrit ainsi, leur comportement semble proche de celui des matériaux élastiques, mais ils sont en réalité très différents. Leur singularité réside dans le fait que lorsque la force causant la déformation disparaît, la forme déformée est maintenue, et il faut augmenter la température du matériau pour qu'il revienne à son état initial.

Cette récupération de la forme initiale par la température est due au changement de la structure interne du matériau. Ces matériaux ont tendance à présenter une structure lamellaire et fibreuse à basse température, ce qui facilite les déformations, car certaines lames peuvent glisser les unes par rapport aux autres ; on appelle cela l'état martensitique. Lorsqu'on les chauffe, le matériau adopte une structure cubique beaucoup plus rigide, qui n'autorise plus le mouvement du matériau ni les déformations ; c'est l'état austénitique. Cette transition de la structure lamellaire vers la structure cubique s'effectue avec une force telle qu'elle ramène le matériau à sa forme initiale et annule toutes les déformations subies. Une fois la température redescendue, le matériau reprend une structure lamellaire et peut être déformé à nouveau. Ce processus, inhérent à l'arrangement atomique du matériau, peut se répéter indéfiniment sans altérer son comportement, évitant ainsi, par exemple, les ruptures mécaniques dues à l'usure ou à la fatigue dans les capteurs ou vannes.

À quoi servent les matériaux à mémoire de forme en entreprise ?

Pour faire passer ces matériaux de la phase martensitique à la phase austénitique, il faut augmenter leur température, comme nous l'avons vu. Cela peut se faire en fournissant de la chaleur, ou très commodément, en appliquant de l'électricité. Le fait que la température de ces matériaux puisse être augmentée ou diminuée par l'électricité en fait des candidats idéaux pour agir comme actionneurs ou capteurs. La récupération des déformations est toujours identique à une même température, ce qui permet de les utiliser comme actionneurs et capteurs très précis. De plus, les déformations qui se produisent dans ces matériaux sont généralement plus rapides que dans d'autres types de matériaux utilisés habituellement pour ces applications.

Nous avons vu que les matériaux à mémoire de forme peuvent retrouver leur forme initiale sous l'effet de la chaleur, puis être déformés à nouveau. C'est très pratique pour certaines applications, mais dans d'autres, comme les actionneurs, on a besoin de passer d'une position à une autre, les deux étant fixes. Est-ce possible ? La réponse est oui, car il existe des matériaux à changement de forme qui présentent deux mémoires de forme à des températures différentes. Cela permet de définir la géométrie du matériau à deux températures distinctes et connues, ce qui est très avantageux.

Types de matériaux à mémoire de forme

Les matériaux à mémoire de forme les plus utilisés à ce jour sont d'ordre métallique. Parmi eux, le Nitinol (alliage de Nickel et de Titane) est l'un des plus employés grâce à ses excellentes propriétés. D'autres alliages métalliques possèdent également une mémoire de forme, comme les alliages Cuivre-Zinc-Aluminium (Cu-Zn-Al) ; Cuivre-Aluminium-Nickel (Cu-Al-Ni) ; ou Fer-Manganèse-Silicium (Fe-Mn-Si).

Jusqu'à récemment, ces matériaux n'étaient obtenus que sous forme métallique, mais les recherches menées ces dernières années ont conduit à l'apparition de matériaux à mémoire de forme plastiques. Ceux-ci, par leur nature plastique, sont très prometteurs, notamment pour les applications où l'on recherche des pièces plus légères. Des matériaux plastiques à changement de forme ou auto-réparants présentent également des propriétés similaires.

D'autres types de matériaux à mémoire de forme, encore à l'étude et dont l'usage ne s'est pas encore largement répandu, sont les céramiques à mémoire de forme et les matériaux ferromagnétiques à mémoire de forme. Nous sommes toutefois convaincus que, dans le futur, tous ces types de matériaux auront un impact majeur.

Applications

Voici quelques exemples d'applications :

L'une des applications en plein essor actuellement est l'utilisation de ces matériaux pour raccorder des tubes, sans soudure. Le principe est simple : on place un matériau à mémoire de forme à l'intérieur des tubes, puis on applique de la chaleur pour qu'il reprenne sa forme initiale, à diamètre plus large, afin de fixer solidement les tubes. La pression exercée par le matériau depuis l'intérieur des tubes les maintient assemblés et il est très difficile de les séparer ; dans certains cas, ils résistent mieux que les soudures.

Le même principe est utilisé, par exemple, dans le secteur médical pour ouvrir des obstructions dans le corps. De petits stents sont fabriqués, qui peuvent être insérés dans des veines ou artères bloquées, et se dilatent au contact de la chaleur corporelle, rétablissant la circulation sanguine.

Ce sont quelques applications de ces matériaux dans des géométries tubulaires, mais leur champ d'application et leurs géométries possibles sont très vastes. Par exemple, ils peuvent s'appliquer aux carrosseries de voitures ou d'avions, pour modifier leur géométrie en circulation et ainsi améliorer leur aérodynamisme, réduisant la consommation de carburant. Si l'on pense aux actionneurs, dont la fonction est de passer d'une position à une autre, la grande majorité pourront à l'avenir être fabriqués en matériaux à changement de forme !

Actuellement, on trouve des matériaux à mémoire de forme dans les équipements médicaux et fournitures de santé, des implants dentaires aux instruments chirurgicaux (ils sont faciles à stériliser). Également dans des objets du quotidien, comme les soutiens-gorge à armatures, qui utilisent la chaleur corporelle pour retrouver leur forme, ou dans les matelas, qui reprennent leur forme après les déformations dues à l'assise. Comme ces matériaux sont légers, résistants et capables de fonctionner à haute température, ils sont aussi largement utilisés dans les composants aérospatiaux tels que fusées et sondes spatiales.

Au vu de toutes les applications possibles et des avantages que présentent ces matériaux, nous pensons que dans les années à venir, ils feront beaucoup parler d'eux et nous les retrouverons de plus en plus dans de nombreux produits sans même nous en rendre compte, car ils sont en plein essor et font l'objet de recherches croissantes.

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