AAP 1996 : Matériaux adaptatifs

Les technologies clés

Matériaux

Matériaux adaptatifs

Fiche Technologie-clé n : 88

VERSION 3

Présentation de la technologie
Objectifs de la technologie
Environnement technologique

Présentation de la technologie

Définitions

le vocable le plus souvent employé dans la littérature, les manifestations et les programmes de recherche est celui de "matériau intelligent". Un tel matériau est défini comme présentant des fonctions intrinsèques qui lui permettent de se comporter comme un capteur et/ou un actionneur, voire comme un processeur. Il est capable de modifier spontanément ses propriétés physiques (forme, conductivité, couleur, viscoélasticité...) en réponse à des sollicitations naturelles ou provoquées (variation de température, de champ électrique ou magnétique, de contrainte...). C'est à dire que le matériaux réagit à un stimulus détecté à l'extérieur et adapte sa réponse. Les actionneurs en particulier fournissent une action mécanique ou changent d'aspect (déformation, changement de couleur ou de transparence...) afin de signaler une modification de l'environnement et/ou de provoquer une action corrective. Ces dispositifs peuvent être réalisés dans des alliages à mémoire de forme ou dans des matériaux magnétostrictifs. Les matériaux piézo-électriques servent le plus souvent à réaliser des capteurs.

Les matériaux piézo-électriques : génèrent une tension électrique lorsqu'ils subissent une contrainte. L'amplitude et la fréquence du signal varient directement en fonction de la déformation mécanique. Il s'agit pour la plupart de céramiques et, de manière plus récente, de polymères. Le cristal quartz utilisé en horlogerie est le matériau piézo-électrique le plus connu. Les céramiques piézo-électriques sont utilisées pour des applications acoustiques et ultrasons et d'amortissement de vibrations. Des polymères piézo-électriques sont utilisés pour capter des ultrasons et pour des applications médicales.

Les alliages à mémoire de forme : déformés à froid, ces alliages retrouvent leur forme initiale au-delà d'une certaine température par changement de phase. Le principe de base est une transformation structurale réversible (modification de la structure cristalline), fonction de la température. Ces alliages sont le plus souvent à base de cuivre ou de nickel. Premiers alliages développés : nickel-titane, puis différents éléments d'addition ont fait l'objet de divers brevets (cuivre, fer, chrome, manganèse, aluminium, or, palladium). Plus récents : les alliages cuivreux à mémoire de forme (CuZn Al, CuAlNi, CuAlBe), moins coûteux et plus faciles à mettre en forme que les alliages Ni-Ti. Des AMF à base de fer sont en cours de développement.

La propriété de mémoire de forme se rencontre également dans des polymères spécifiques. Les matériaux magnétostrictifs (resp. électrostrictifs) : se déforment sous l'action d'un champ magnétique (resp. électrique). La déformation est proportionnelle au carré de la puissance des champs appliqués. Cette relation précise entre cause et effet permet de piloter des dispositifs. L'effet électrostrictif est, en général, moins important que l'effet piézoélectrique. Ce sont des composés de synthèse ou des céramiques.

En dehors de ces trois catégories les plus étudiées, il existe : des fluides électrorhéologiques (pouvant se rigidifier sous l'action d'un champ électrique, grâce à l'orientation de particules polarisables suspendues dans un liquide) ; des polymères conducteurs ; des polymères à transparence variable en fonction de la température (testés dans des vitrages), etc.

Objectifs de la technologie

Contexte concurrentiel et économique

depuis le début des années 90, les grands rendez-vous consacrés spécifiquement aux matériaux adaptatifs, appelés généralement "intelligents", se multiplient à travers le monde : "European conference on smart structures and materials", "International conference on intelligent materials". Toutes les grandes puissances industrielles sont aujourd'hui impliquées dans d'importants programmes de recherche portant sur les matériaux "intelligents", parmi lesquels les matériaux adaptatifs se prêtent à la réalisation d'actionneurs.

Déjà, les applications liées au contrôle du bruit ou des micro-vibrations sont bien abouties, et dans certains cas des applications industrielles sont sur le marché.

Enjeux : disposer dans un premier temps de matériaux capables de s'auto-surveiller ce qui évite les interventions régulières en maintenance et des heures de démontage, ainsi que le surdimensionnement des pièces (économies de ressources et recyclage facilité). L'idéal serait des matériaux auto-reconstructifs (et auto-destructifs quand ils ne servent plus), prévenant l'utilisateur quand ils vont se détériorer et capables de s'adapter à une contrainte imprévue.

Fonctions remplies :

Les matériaux adaptatifs sont capables de s'auto-adapter à l'environnement, d'adopter des formes "utiles" en réaction à une sollicitation extérieure naturelle ou provoquée (vibration, bruit, lumière, température, électricité, sollicitation mécanique, substances chimiques, etc.). Ils modifient leur forme, leur module d'élasticité, leurs dimensions... Associés à des capteurs, ils présentent des propriétés intelligentes telles que : auto-diagnostic, contrôle actif de vibrations (détection et contre-réaction), éventuellement auto-réparation, etc.

Les matériaux piézoélectriques et les alliages à mémoire de forme (AMF) sont actuellement les matériaux adaptatifs les plus étudiés. Ils apportent notamment des solutions intéressantes en matière de détection permanente d'endommagement dans les matériaux, d'amortissement de vibrations et de contrôle de stabilité dimensionnelle, des préoccupations communes à de nombreuses industries mécaniques (aéronautique, automobile, machine-outil, électroménager, construction navale... ).

Environnement technologique

Technologies concurrentes :

actionneurs mécaniques, hydrauliques, électromagnétiques, etc. Pour les systèmes d'amortissement des vibrations : emploi de matériaux amortissants passifs (ex. élastomères)...

Evolutions technologiques :

axes de recherche pour les AMF : retarder le vieillissement et améliorer la tenue en température (les chercheurs visent à mettre au point des matériaux dont on puisse garantir les propriétés après 10 ou 15 ans de fonctionnement et des milliers de cycles) ; développement de petits mécanismes à base d'AMF tels que pinces, moteurs pour volets roulants, prothèses, ressorts de friteuses (ex. Laboratoire de Mécanique Appliquée de l'Université de Besançon, INSA de Lyon, Université de Metz)) ; développement de polymères à mémoire de forme (ex. Mitsubishi Heavy Industries au Japon), avec des applications potentielles principalement dans le médical (organes artificiels, vaisseaux sanguins), l'électronique (joints, contacteurs...), la mécanique (bagues, joints...) et les produits de grande consommation (jouets, textiles). L'ONERA a des travaux en cours sur le suivi d'endommagement et l'amortissement des vibrations.

Programmes de recherche :

Au Japon, la STA (Agence des Sciences et Techniques) a lancé en 1991 un programme de 5 ans sur les Matériaux Intelligents, doté de 271 millions de yens en 1991, 347 millions de yens en 1992 et 332 millions en 1993. En 1995, l'AIST (Agency of Industrial Science and Technology) a consacré 25 millions de yens à un pré-projet intitulé "Smart structural systems" et 25 millions de yens à un pré-projet intitulé "Autonomous responsive materials". En 1996, un nouveau projet de R&D est soutenu à hauteur de 323 millions de yens : "New technology for development of high performance functional materials".

Aux Etats-Unis, l'ARPA (Advanced Research Project Agency) soutient un programme "Smart Materials and Synthesis". Une mission du Comité d'Applications Techniques cherche à améliorer les méthodes de synthèse et de traitement des matériaux actionneurs et de les combiner à des technologies de détection et de contrôle pour l'élimination des vibrations structurelles.

En Europe et en France : pas de programme global sur le thème des "matériaux intelligents", mais différents projets communautaires concernent les actionneurs piézo-électriques et les alliages à mémoire de forme.

En France, le CNRS intègre dans sa stratégie Matériaux un thème sur les "Matériaux adaptatifs". La parution d'un cahier de synthèse proposant des recommandations d'actions est prévue pour le deuxième semestre 1996. En fonction de ces recommandations, des actions telles que la création de groupements de recherche et le lancement de projets contractuels seront mises en place.