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Tout le monde a son talon d’Achille. Pour les matériaux composites avancés, c'est leur étonnante vulnérabilité. Notamment au niveau des zones de collage. Mais des ingénieurs américains du MIT (Massachusetts Institute of Technology) proposent aujourd'hui de les rendre plus résistants grâce à des nanotubes de carbone.
Les matériaux composites avancés, parmi lesquels les plastiquesplastiques renforcés de fibres de carbone, présentent l'avantage d'être très légers. Une caractéristique qui intéresse tout particulièrement le secteur de l'aéronautique. Selon Stephen Tsai, un professeur émérite en aéronautique et astronautique à l'université de Stanford, « aucun matériau ne peut aujourd'hui rivaliser avec eux pour la légèreté ». Ainsi, grâce à l'utilisation de matériaux composites avancés, les Airbus et les Boeing les plus récents sont plus légers de 20 % que les avions construits à partir d'aluminiumaluminium.
Et si l'industrie aéronautique ne doutait pas tant des capacités de ces composites à résister aux impacts, leur emploi généralisé permettrait de réduire, de manière bien plus conséquente encore, les poids et donc les consommations et les émissionsémissions des avions civils. Car, malheureusement, les plastiques renforcés de fibres de carbone sont particulièrement sensibles aux impacts. Les différentes couches qui les composent, en effet, ont la fâcheuse tendance à se fissurer.
Des ingénieurs du MIT ont trouvé un moyen — grâce à des nanotubes de carbone, ici représentés en rouge — pour lier fortement entre elles les couches de matériaux composites. Résultat : il devient plus résistant aux impacts. De quoi concevoir des avions plus légers encore sans pour autant perdre en solidité. © Christine Daniloff, MIT
Des nanotubes de carbone pour maintenir les couches de composites
Aujourd'hui, les couches de composites sont maintenues par une colle polymère. Des tentatives ont été menées pour renforcer ce point faible, parmi lesquelles l'épinglage de fibres en z ou le tissage 3D. Ces méthodes impliquent de pénétrer le composite avec des épingles ou des fibres bien plus grosses que les fibres de carbone. De ce fait, elles fragilisent le composite en abîmant sa structure.
Pour résoudre le problème, les chercheurs du MIT ont eu l'idée de mettre en œuvre des nanotubes de carbone, aussi microscopiques que résistants. Comment ? Ils ont mélangé des nanotubes de carbone (alignés verticalement grâce à une méthode développée précédemment par le groupe du professeur Brian Wardle, l'un des auteurs de l'étude) à une matrice polymèrepolymère, semblable à une colle. Ils ont ensuite pressé le mélange entre les couches de composite. Les nanotubes se sont alors glissés dans les interstices laissés par les fibres de carbone, comme pour tisser des points entre les couches et les maintenir ensemble.
Après avoir soumis leur nouveau matériau à différents tests classiques du secteur de l'aéronautique (compression et traction autour d'un défaut, par exemple), les ingénieurs américains ont conclu qu'ils étaient quelque 30 % plus résistants aux diverses sollicitations que les composites avancés classiques. « Avec leur surface mille fois supérieure à celle des fibres de carbone, les nanotubes se lient bien plus efficacement à la matrice polymère », explique Brian Wardle.
