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Les matériaux gardent la forme

Si votre monture de lunettes est presque incassable aujourd'hui, elle le doit peut-être aux matériaux à mémoire de forme. Ils sont encore très peu développés. D'autres applications devraient voir le jour, notamment en médecine et en aéronautique.

Numéro 5

Robustes et de fonctionnement très simple, les matériaux à mémoire de forme ont un avenir en aéronautique. Une application possible : les drones d'observation.
Robustes et de fonctionnement très simple, les matériaux à mémoire de forme ont un avenir en aéronautique. Une application possible : les drones d'observation.
Matériaux à mémoire de forme. Leur nom fait rêver. Et l'on se prend à imaginer des matières déformables à l'infini qui reprennent l'apparence souhaitée à volonté. La réalité est plus compliquée. Après avoir suscité de grands espoirs, ils sont un peu retombés dans l'oubli. Pourtant, leurs applications potentielles sont réelles.

Le matériau à mémoire de forme le plus connu est un alliage à base de nickel et de titane dénommé Nitinol®. Il a la particularité de "changer d'état" en fonction de la température (c'est le changement de phase). En deçà d'une température dite de transition, sa structure cristalline est dite martensitique. Au-delà, elle est austénitique. Lorsque l'on soumet cet alliage dans sa phase à haute température à des contraintes mécaniques, comme un allongement forcé, puis qu'on le refroidit, il « garde en mémoire » ces contraintes. Et dès qu'on le chauffe à nouveau, il reprend sa forme obtenue sous contrainte. «  Ces matériaux peuvent subir, sans rompre, un allongement bien plus grand que les alliages traditionnels , précise Daniel Osmont, de l'Onéra. Cet allongement peut atteindre 8 %, contre 0,1 % pour l'acier, par exemple.  »


Le fil en AMF, au départ détendu, est chauffé par un courant électrique (effet Joule). En dépassant une certaine température, il se contracte brusquement et permet, grâce à un système de transmission, de soulever une masse (ici 1 kg).

Pourquoi, avec de tels atouts, ces matériaux ne sont-ils pas plus répandus ? A cause de leur coût très élevé, tout d'abord. Mais, surtout, "ces alliages sont très difficiles à intégrer dans une structure", souligne Daniel Osmont. "On ne peut que difficilement les souder, à cause de leurs modifications à haute température. Et comme ils se déforment trop lorsque la température varie, ils sont également difficiles à attacher. Il faut donc mettre au point des systèmes de pincement performants."

Les applications les plus prometteuses de ces matériaux sont médicales. En effet, le Nitinol est bien toléré par l'organisme et de plus certaines nuances de ces alliages particuliers ont une température de changement de phase de l'ordre de 36 °C, très proche de la température du corps humain. En chirurgie cardiaque, par exemple, des stents qui servent à "réparer" les artères endommagées, sont à mémoire de forme. Ils ont la forme d'un grillage replié sur lui-même de manière à former un gros fil. Ce gros fil est introduit, à froid, dans l'organisme par endoscopie à partir d'une incision fémorale, mis en place à l'endroit voulu. La chaleur corporelle le réchauffe, il retourne à sa phase austénitique pour laquelle il a la forme d'un treillis cylindrique qui vient se plaquer sur la paroi artérielle et la renforcer, formant un "chemisage" de l'artère malade et évitant ainsi une opération à coeur ouvert. En chirurgie osseuse, des agrafes à mémoire de forme permettent une réparation osseuse sous contrainte après une fracture, accélérant le temps de réparation et permettant de diminuer par exemple le temps d'immobilisation du patient.

En aéronautique, ces matériaux sont aussi très prometteurs. "Ils pourraient permettre d'ouvrir ou de fermer des volets de bord de fuite de drones d'observation afin de réduire la traînée et accroître la durée des missions, donner une cambrure à une aile de missile optimisée pour la croisière afin d'en augmenter la manoeuvrabilité en phase d'approche de la cible, permettant d'augmenter le rayon d'action sans nuire à l'efficacité" note Daniel Osmont. Ces applications concernent principalement des systèmes fonctionnant sous un mode "ouvert ou fermé", et ne peuvent pas répondre aux besoins de systèmes progressifs. En effet, quand ces matériaux sont chauffés plusieurs fois, leurs propriétés se modifient d'une manière difficilement prédictible. En revanche, ils sont robustes, de fonctionnement simple, et peuvent exercer des forces très importantes. Ils sont particulièrement bien adaptés à des applications comme les clapets automatiques, les systèmes de sécurité au feu, etc. Par ailleurs, grâce à leur "plasticité", ils sont utilisables comme renforts de composites afin d'absorber l'énergie des chocs et d'empêcher la structure de se dégrader de manière incontrôlée. Entre engouement et désaffection, les matériaux à mémoire de forme ont donc une véritable place à conquérir dans la technologie de demain.

 

Cécile Michaut, journaliste scientifique.

 

11.02.2004