durables et à longue durée de vie
En raison de leur grande résistance et de leur légèreté, les matériaux composites à base de fibres de carbone remplacent progressivement les métaux pour la fabrication de toutes sortes de produits et d'applications, des avions aux éoliennes en passant par les clubs de golf. Mais il y a un prix à payer. Une fois endommagés ou compromis, les matériaux en fibre de carbone les plus couramment utilisés sont presque impossibles à réparer ou à recycler.
Dans un article publié dans la revue Carbon, une équipe de chercheurs décrit un nouveau type de matériau renforcé par des fibres de carbone qui est aussi solide et léger que les matériaux utilisés traditionnellement, mais qui peut être guéri à plusieurs reprises par la chaleur, ce qui permet d'inverser tout dommage dû à la fatigue. Cela permet également de le décomposer et de le recycler lorsqu'il atteint la fin de sa vie.
"Le développement de composites résistants à la fatigue est un besoin majeur dans la communauté de la fabrication", a déclaré le coauteur principal Aniruddh Vashisth, professeur adjoint d'ingénierie mécanique à l'Université de Washington. "Dans cet article, nous démontrons un matériau pour lequel on peut utiliser soit des sources de chaleur traditionnelles, soit un chauffage par radiofréquence pour inverser et reporter indéfiniment son processus de vieillissement."
Ce matériau fait partie d'un groupe récemment mis au point, le vitrimère renforcé par des fibres de carbone, dont le nom vient du mot latin signifiant verre, et qui présente un mélange de propriétés solides et fluides. Les matériaux généralement utilisés aujourd'hui, que ce soit dans les articles de sport ou l'aérospatiale, sont des polymères renforcés de fibres de carbone.
Les polymères traditionnels renforcés de fibre de carbone se répartissent généralement en deux catégories : les thermodurcissables et les thermoplastiques. La variété "durcie" contient un époxy, un matériau semblable à une colle dont les liaisons chimiques qui le maintiennent ensemble durcissent de façon permanente. La version "plastique" contient un type de colle plus souple qui peut être refondu et retravaillé, mais cela devient un inconvénient pour une résistance et une rigidité élevées. Les vitrimères, quant à eux, peuvent se lier, se délier et se relier à nouveau, offrant ainsi une solution intermédiaire entre les deux.
n imagine chacun de ces matériaux comme une pièce remplie de personnes", a déclaré M. Vashisth. "Dans la salle des thermodurcissables, toutes les personnes se tiennent la main et ne la lâchent pas. Dans la salle des thermoplastiques, les gens se serrent la main et bougent dans tous les sens. Dans la salle des vitrimères, les gens serrent la main de leurs voisins, mais ils ont la capacité d'échanger des poignées de main et de se faire de nouveaux voisins de sorte que le nombre total d'interconnexions reste le même. Cette reconnexion est la façon dont le matériau se répare et cet article est le premier à utiliser des simulations à l'échelle atomique pour comprendre les mécanismes sous-jacents de ces poignées de main chimiques."
L'équipe de recherche pense que les vitrimères pourraient constituer une alternative viable pour de nombreux produits actuellement fabriqués à partir de thermodurcissables, ce qui est indispensable car les composites thermodurcissables ont commencé à s'accumuler dans les décharges. Selon l'équipe, les vitrimères guérissables représenteraient un changement majeur vers un matériau dynamique avec un ensemble différent de considérations en termes de coût du cycle de vie, de fiabilité, de sécurité et de maintenance.
"Ces matériaux peuvent transformer le cycle de vie linéaire des plastiques en un cycle circulaire, ce qui constituerait un grand pas vers la durabilité", a déclaré le coauteur principal Nikhil Koratkar, professeur d'ingénierie mécanique, aérospatiale et nucléaire au Rensselaer Polytechnic Institute.
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