De nouveaux matériaux économiques susceptibles de remplacer l'acier inoxydable
Publié par Isabelle le 13/01/2020 à 14:00
Source: © Union européenne, [2020] / CORDIS

Projet Equinox
Des chercheurs sont en train de développer une nouvelle génération de matériaux qui pourraient remplacer certaines matières premières critiques et offrir de meilleures performances que l'acier inoxydable.

De nouveau matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) intermétalliques pourraient remplacer l'acier inoxydable (Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie quotidienne, industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports, médecine, chirurgie, etc. Ce...) dans de nombreux produits industriels importants, en particulier quand il s'agit de les utiliser dans des conditions extrêmes où ils doivent résister à l'usure et à la corrosion.

Les composés intermétalliques existants d'aluminure de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure...) combinent les propriétés des métaux et des céramiques mais sont difficiles à transformer en véritables produits car ils ne sont pas aussi ductiles que l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction...) inoxydable ni aussi facilement usinables ou soudables que les autres métaux.

"Nous voulons que ces nouveaux matériaux possèdent les propriétés des matériaux intermétalliques habituels – une dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) élevée, une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) relativement faible ainsi qu'une forte résistance à la corrosion et à l'érosion – tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en leur conférant de nouvelles propriétés", explique Costas Charitidis, coordinateur du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution,...) et professeur de génie chimique à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) technique nationale d'Athènes.

"S'ils sont moins cassants et qu'il est possible de les souder, entièrement ou partiellement, alors ils peuvent parfaitement remplacer l'acier inoxydable à haute ductilité (La ductilité désigne la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu'un défaut (fissure ou cavité), induit par la déformation plastique,...), mais, en étant plus durs et plus légers, ils seraient meilleurs que ce dernier", indique M. Charitidis.

De nouveaux matériaux ont été développés dans le cadre du projet EQUINOX. L'équipe a fabriqué une matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) préformée poreuse, comme une éponge (Les éponges constituent l’embranchement (vraisemblablement paraphylétique) des Spongiaires et sont des animaux sans système nerveux ni tube digestif. Leur corps n’est formé que par deux couches de...), dans laquelle elle a injecté de l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ou une coulée à base de fer et d'aluminium. Ces métaux sont plus abondants et moins chers que le chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) – une matière première critique et stratégique pour l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire...) – qui est utilisé dans l'acier inoxydable.

"Une autre avancée significative réside dans le fait que nous soyons en mesure d'usiner ces nouveaux matériaux intermétalliques. Nous pouvons également fabriquer des moules qui imiteraient la forme de la pièce finale pour produire les matériaux préformés en fer", explique Panagiotis Kavouras, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent...) principal à l'Université technique nationale d'Athènes. "Grâce à ce procédé, nous avons réussi à créer des matériaux en vrac (Le vrac (du néerlandais wrac : mal salé, mauvais) désigne des marchandises qui ne sont pas emballées ou arrimées.) avec des formes complexes, et pas seulement des barres ou des cylindres."

Les démonstrateurs

Deux démonstrateurs différents ont été construits et adaptés à des applications spécifiques: un petit disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) de frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) de voiture et une pièce de moteur-fusée (Les moteurs-fusées sont des moteurs à réaction utilisés sur les fusées, dont certains sont prévus pour fonctionner aussi bien dans, que hors de l'atmosphère terrestre. Ils embarquent, en plus de leur carburant, un...) à propergol (Un propergol, dans le domaine de l'astronautique, est un produit constitué par un ou plusieurs ergols, soit séparés soit réunis, pour former un mélange ou un composé, apte à fournir par réaction chimique...) liquide. "Il s'agit d'applications réelles pour les nouveaux matériaux intermétalliques que nous avons mis au point (Graphie)", explique M. Charitidis.

Le système de freinage automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en...) a été testé dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques...) simulé et a également subi des essais où il a été exposé à un brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de fines particules hygroscopiques saturées d'eau, souvent de taille...) salin dans le cadre de la procédure standard pour évaluer sa résistance à la corrosion. L'élément du moteur-fusée à propergol liquide a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) d'essais de résistance à l'érosion.

Des demandes de brevet ont été déposées pour les deux nouveaux procédés: l'un pour la fabrication des disques de frein de voiture et l'autre pour la partie d'ailette de moteur-fusée à propergol liquide. "Ces résultats prouvent que le procédé EQUINOX présente un fort potentiel, et qu'il aboutira à de véritables produits industriels", fait remarquer M. Kavouras.

"Même si le projet a débuté à un niveau comparable à celui de recherches fondamentales, nous avons mis en œuvre non seulement des essais de laboratoire classique, mais également des essais de laboratoire de type industriel", explique M. Kavouras. "Nous n'en sommes pas encore à l'échelle industrielle, mais nous sommes proches de l'échelle pilote, ce qui constitue un grand pas en avant."

Un défi de taille

"Au cours des derniers mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) du projet, nous avons réussi à produire un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) intermétallique à haute ductilité, ce qui prouve que le procédé EQUINOX peut ouvrir la voie à une véritable révolution", ajoute-t-il.

Au début, l'un des principaux défis a consisté à étudier un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de types différents de préformes poreuses et de types de coulées à différentes températures. Il a été ainsi possible de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) de plus de 2 000 combinaisons des différents paramètres à seulement quelques douzaines de combinaisons sur lesquelles une méthode expérimentale (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de données sur le domaine d'étude, et la confrontation du modèle aux faits.) a été appliquée, en procédant par tâtonnements à l'aide de modélisations et de simulations sophistiquées.

"Modélisation et simulation (Les progrès des méthodes numériques et l'augmentation des performances des ordinateurs permettent, grâce à des simulations de plus en plus détaillées, de prédire le comportement des systèmes complexes (projet Soleil, laser Mégajoule,...) ont été absolument essentielles à la réussite du projet. Ces étapes de simulation nous ont permis d'éviter de nombreuses années d'expérimentations laborieuses", précise M. Kavouras.
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