Trois raisons clés pour lesquelles les composites haute performance surpassent les matériaux traditionnels

De nombreuses avancées scientifiques et techniques ont conduit à la conclusion que les propriétés des matériaux composites sont souvent supérieures aux choix plus traditionnels. Voici quelques-uns des avantages qui les rendent si prometteurs.

1. Améliorer la durabilité

L'attention mondiale se porte sur des enjeux urgents comme le changement climatique et la production excessive de déchets. On s'inquiète de plus en plus de développer des matériaux durables pour remplacer ceux qui seront probablement jetés plus fréquemment. De nombreux matériaux composites écologiques peuvent combler ce besoin.

Composants en fibre de carbone réparables pour prolonger la durée de vie

Les composites en fibre de carbone sont des alternatives populaires pour remplacer les métaux conventionnels utilisés pour tout, des pièces d'avion aux clubs de golf. Cependant, la plupart sont pratiquement impossibles à réparer ou recycler une fois cassés.

Une nouvelle avancée de chercheurs de l'Université de Washington pourrait surmonter cet inconvénient. L'équipe a créé un nouveau matériau aussi léger et résistant que les composites conventionnels en fibre de carbone, mais facile à réparer en cas de fissure. On peut réparer les dommages de manière traditionnelle ou par chauffage par radiofréquence.

Ce matériau appartient à une catégorie relativement nouvelle appelée composites à matrice vitrimère renforcés de fibres de carbone (vCFRP). Les autres types de composites en fibre de carbone se divisent en deux groupes principaux. Le premier contient de l'époxy, qui confère une dureté permanente. Le second utilise une colle plus souple permettant de décomposer le matériau pour le retravailler, mais au prix d'une résistance et d'une rigidité réduites. Les vCFRP, eux, permettent de lier, délier et relier sans de tels compromis.

Composant en fibre de carbone pour l'intérieur d'une voiture réduisant les émissions

Autre exemple de durabilité accrue grâce aux avancées des composites en fibre de carbone : une entreprise suisse a remplacé neuf composants intérieurs de véhicules utilisés en sport automobile par un matériau composite plus durable à base de fibres naturelles. Cela a entraîné une réduction de 94 % des émissions liées aux matériaux et une réduction de 90 % des émissions du berceau à la porte d'usine.

Un autre avantage des matériaux composites est qu'ils peuvent surpasser leurs propriétés d'origine, comme du bois récupéré traité pour la résistance à la chaleur. Cela signifie qu'on peut être surpris en découvrant comment les composites pourraient changer les caractéristiques de matériaux courants qu'on croyait bien connaître.

Ce ne sont là que quelques exemples de la façon dont ces matériaux composites futuristes pourraient contribuer à l'effort mondial d'amélioration de la durabilité. Les dirigeants d'entreprise pourraient même les utiliser comme arguments de vente pour montrer que la durabilité environnementale traverse l'ensemble des opérations de l'entreprise. Par exemple, les fabricants d'éoliennes qui les utilisent privilégient la résilience prolongée plutôt que l'envoi prématuré d'articles à la décharge.

2. Améliorer les processus essentiels

Ceux qui travaillent avec des matériaux composites étudient souvent comment ils pourraient aider les utilisateurs à améliorer leurs processus. Par exemple, les vis composites sont des choix courants pour l'assemblage de terrasses car elles sont généralement plus denses que les versions en bois traditionnelles. Elles ont aussi des filets plus fins et des têtes comparativement plus petites, ce qui les rend plus faciles à enfoncer dans le bois de terrasse.

Améliorer les vis permet d'économiser sur les coûts de main-d'œuvre et d'augmenter les chances d'obtenir d'excellents résultats, et ce n'est qu'un exemple. Les moyens de renforcer un processus existant peuvent devenir apparents à pratiquement n'importe quelle étape, de la conception d'un produit à son contrôle qualité.

Des robots assistent la production de pales de ventilateur en composite

Une grande partie du travail en cours sur les matériaux composites concerne des approches futuristes, comme l'application de la robotique et de l'apprentissage automatique aux efforts de développement.

Par exemple, Rolls-Royce dispose d'une nouvelle installation dédiée au développement de nouveaux matériaux composites. L'une des approches y concerne l'utilisation de robots pour aider à fabriquer des pales de ventilateur composites utilisées dans les moteurs à réaction.

Chaque composant comporte environ 500 couches de matériau en fibre de carbone, chacune appliquée dans un processus entièrement automatisé supervisé par des ouvriers d'usine. Des robots soulèvent et déplacent les pièces entre les postes de la chaîne d'assemblage, assurant un fonctionnement fluide et efficace.

L'apprentissage automatique pourrait améliorer les tests de composites

Les chercheurs espèrent également utiliser l'apprentissage automatique pour progresser dans les méthodes habituellement appliquées pour tester les matériaux composites à la recherche de défauts. Les méthodes traditionnelles les plus populaires sont les tests par rayons X et par ultrasons. Cependant, toutes deux ont leurs inconvénients, ce qui pousse les chercheurs à en adresser les limites.

Russell Varley est professeur de matériaux composites à Carbon Nexus, une installation de recherche sur la fabrication en Australie. Il a déclaré : « Comprendre et développer des méthodes d'analyse de nouvelle génération pour les tests non destructifs des produits composites a un grand potentiel pour transformer l'industrie. »

Une organisation a accordé une subvention de recherche pour ce projet afin de voir si l'apprentissage automatique pourrait cibler certains problèmes bien connus des tests de composites. Par exemple, l'utilisation de méthodes basées sur les rayons X est coûteuse en investissements d'exploitation et en capital.

Ces études de cas n'impliquent pas que les gens ont cessé d'essayer d'améliorer les processus associés aux matériaux traditionnels. Cependant, un intérêt élevé et continu pour les composites de la part des spécialistes des matériaux dans le monde entier oriente une grande partie de la recherche vers des options plus récentes faites d'au moins deux matériaux constitutifs.

Les composites haute technologie changent de couleur pour révéler les défauts

Les deux exemples précédents de cette section soulignent comment les matériaux composites s'alignent souvent avec les efforts pour adopter l'Industrie 4.0. Cependant, il existe aussi un travail fascinant pour faire en sorte que les matériaux eux-mêmes accélèrent les processus d'usine.

Des chercheurs ont développé un stratifié composite qui change de couleur en réponse à la déformation. Ils pensent que cela permettra de détecter les problèmes à des stades plus précoces et d'alerter sur d'éventuelles défaillances matérielles. Le matériau n'a jusqu'à présent été utilisé qu'en laboratoire. Cependant, s'il fonctionne aussi bien que l'espèrent ses développeurs, cette innovation pourrait améliorer les processus de nombreuses façons.

Par exemple, elle pourrait empêcher les ouvriers de fabriquer des pièces composites avec des faiblesses internes et minimiser les futurs rappels. L'équipe a également rapporté que leur nouveau matériau, composé de couches, est résistant à la rupture et léger. Comme ce sont parmi les propriétés les plus recherchées des composites, cette invention pourrait avoir de vastes applications et un large attrait.

3. Faire progresser les améliorations basées sur les matériaux

Un autre avantage des matériaux composites est qu'ils permettent aux ingénieurs et scientifiques de développer de nouvelles options répondant à des besoins non satisfaits par les choix conventionnels. On cherche toujours des moyens viables d'améliorer les produits. Les composites montrent souvent la voie à suivre.

Nouveau matériau composite à partir de tissus non tissés

Les tissus non tissés sont ceux dérivés de la liaison de fibres qui ne nécessitent ni tricotage ni tissage. Des chercheurs ont récemment créé un nouveau matériau composite entrant dans cette catégorie. Ils pensent que leur innovation pourrait être idéale pour des produits médicaux, comme les pansements et les masques.

Créer un matériau qui peut être en contact avec la peau pendant des heures ou plus nécessite de réfléchir soigneusement aux propriétés souhaitées des matériaux composites. Dans ce cas, l'équipe voulait la respirabilité et l'absorbance de l'eau. Elle voulait aussi inclure du coton pour le confort.

Les tests ont montré que le nouveau tissu était plus absorbant que les options traditionnelles. Il s'est aussi bien comporté dans les tests d'étirement-récupération, suggérant que le matériau tiendrait bien à une utilisation répétée. L'équipe a reconnu que bien que d'autres options aient une bonne respirabilité et des capacités d'étirement, le choix d'ajouter du coton devrait fournir un avantage notable supplémentaire.

Matériau haute technologie pour limiter les tracas des écrans de téléphone fissurés

Comme les écrans sont des parties si nécessaires des smartphones d'aujourd'hui, beaucoup prennent grand soin de les protéger. Par exemple, même quand les fabricants installent du verre ultra-résistant, de nombreux propriétaires ajoutent aussi des protections d'écran ou insèrent leurs appareils dans des étuis spéciaux pour plus de tranquillité d'esprit. Cependant, une innovation liée au verre composite pourrait réduire le besoin de ces étapes supplémentaires.

Le projet d'une équipe de recherche internationale a abouti à un verre composite qui pourrait minimiser la casse d'écran tout en offrant un affichage plus lumineux. Les matériaux sont basés sur des pérovskites halogénées de plomb, qui fonctionnent comme de minuscules panneaux solaires car ils captent et stockent l'énergie. L'approche de base consiste à envelopper des nanocristaux dans un verre poreux.

Cette méthode devrait améliorer les technologies actuelles de nanocristaux utilisées pour les écrans d'appareils. Le groupe travaillant sur ce projet a mis en garde que, s'ils pensent que leurs techniques sont évolutives, il reste encore beaucoup de travail à faire. Ils doivent déterminer les meilleures façons de créer des matériaux avec les propriétés souhaitées.

Les matériaux haute technologie montrent un potentiel considérable

Ce ne sont là que quelques-uns des nombreux avantages des matériaux composites qui enthousiasment quant à ce que l'avenir réserve. Les matériaux traditionnels ont encore leur place dans de nombreux cas, mais ces exemples montrent les bénéfices de travailler avec des composites pour générer des résultats spécifiques.