La course à la légèreté

Un maître-mot : la solidité

La résistance des matériaux a toujours été un critère d’importance majeure dans la conception des pièces des structures développées par les industries de construction. C’est la première qualité attendue pour le plancher d’une automobile, pour le tablier d’un pont ou pour le fuselage d’un avion. Avec l’augmentation du coût des hydrocarbures liée à leur raréfaction, un autre critère a pris une grande importance : celui de la légèreté des matériaux qui permet de dépenser moins d’énergie pour déplacer les objets qu’ils constituent. Les propriétés mécaniques d’un objet dépendent bien sûr de sa forme et de la nature de ses constituants mais également de la façon dont ces derniers sont structurés et assemblés. Les progrès des matériaux de construction proviennent aussi bien des recherches relatives à leurs compositions chimiques que celles qui concernent les procédés de fabrication. à titre d’exemple, l’aluminium est de plus en plus utilisé car c’est un métal léger. Comme il est peu résistant aux contraintes mécaniques, il faut souvent l’associer à des pièces d’acier mais il s’avère difficile de faire adhérer solidement ces deux métaux l’un à autre. C’est pourquoi nous développons une nouvelle technique de soudage par « frottement-malaxage » qui permet de les imbriquer très finement à leurs frontières. Ces recherches permettent en outre d’améliorer la sécurité liée à l’emploi des matériaux (un autre critère d’importance croissante), par exemple en étudiant la façon dont ils se détériorent ou en augmentant leur capacité à absorber les chocs et à se déformer selon un axe privilégié.

L’essor des matériaux composites

L’emploi de matériaux plus légers sans perte de solidité et sans augmentation importante des coûts de production est devenu le principal enjeu de la compétition actuelle entre Boeing et Airbus. Cet objectif est en bonne partie à l’origine de la création récente d’EMC2 (Ensembles métalliques et composites complexes), pôle de compétitivité des Pays de la Loire. À cette fin, les chercheurs et les ingénieurs tendent à remplacer progressivement les pièces métalliques par des pièces hétérogènes dans lesquelles des fibres de carbone sont noyées dans une matrice en polymère. La présence des fibres renforce la résistance mécanique du matériau le long de son axe principal ; la présence de polymère assure à la fois la cohésion de l’ensemble et la résistance du matériau à des sollicitations transverses. Les caractéristiques de ces matériaux composites ne sont pas toutes bien connues, c’est pourquoi ils suscitent de nombreuses collaborations pluridisciplinaires, animées en région notamment par l’Institut de recherche en génie civil et mécanique (GeM), laboratoire commun à l’école centrale de Nantes, au CNRS et à l’Université de Nantes. Les avancées résultent non seulement d’essais en laboratoire destinés à mieux comprendre leurs caractéristiques physicochimiques mais aussi du développement d’outils de calcul mathématiques et informatiques capables de déterminer les meilleurs paramètres (température, pression…) pour tel ou tel procédé de fabrication.

De nouveaux bétons

Les matériaux de génie civil font également l’objet d’avancées importantes. Le béton traditionnel est un matériau hétérogène constitué de ciment, de sable et de gravier. Pour le mettre en oeuvre, on y ajoute de l’eau qui durcit le ciment grâce à une réaction chimique dite d’hydratation et qui permet au béton de s’écouler assez facilement pour être mis en forme avant son durcissement. Or la quantité d’eau nécessaire à la mise en forme des bétons traditionnels est beaucoup plus importante que celle qui suffit pour la réaction d’hydratation. Après son évaporation, cette eau excédentaire laisse des trous qui sont dangereux à l’usage car ils constituent des amorces de futures fissures.

Sur la composition des bétons, les chercheurs ont progressé avec un objectif inverse de celui qui prévaut, en matière de solidité, pour les structures composites de l’aéronautique : ils ont mis au point de nouvelles familles de béton à faible teneur en eau et possédant paradoxalement une plus grande fluidité avant la phase de durcissement. Ces nouveaux bétons dits « autoplaçants » commencent à révolutionner l’industrie du bâtiment. Ils coulent presque tout seuls, autorisant ainsi la fabrication d’une dalle sans qu’il soit nécessaire de recourir à des outils dont les fortes vibrations mécaniques et sonores sont nuisibles pour les personnels qui les utilisent. D’autres secteurs apparemment éloignés du génie civil bénéficient directement de telles avancées scientifiques. Celles-ci concernent, par exemple, l’amélioration des comportements de produits cosmétiques ou des peintures qui doivent, de façon contradictoire, couler pour pouvoir être étalés mais aussi ne pas couler pendant leur séchage

Diverses familles de matériaux composite

Il existe une grande variété de matériaux composites : à particules, à flocons, à fibres, laminés... Le bois est un composite naturel de fibres de cellulose, un polymère qui lui donne sa résistance mécanique, et de lignine, un autre polymère qui joue le rôle de liant.

Les leçons de l’amiante

© www.ohazar.com

L a toxicité des matériaux est une préoccupation grandissante, en particulier depuis que l’amiante a été tenue pour responsable d’un nombre important d’affections pulmonaires et de cancers. L’incorporation de l’amiante à des matériaux permet de leur conférer une grande résistance au feu sans surcoût important, si bien que cette roche fibreuse a longtemps bénéficié d’un statut de produit-miracle et a été utilisée dans de nombreux secteurs industriels. Des relations entre l’exposition à l’amiante et la mortalité importante des travailleurs concernés ont été évoquées déjà dans les années 1900 mais les experts scientifiques ne semblent en avoir pris bonne mesure que depuis les années 60. Des lacunes politiques et juridiques en matière de sécurité sanitaire et l’influence de lobbies industriels ayant des intérêts dans l’usage de l’amiante ont sans doute empêché d’en maîtriser plus tôt les risques. C’est seulement en 1997 que l’usage de l’amiante a été interdit en France, contre l’avis de ses défenseurs soulignant l’absence de produits de substitution et les pertes d’emploi que cette interdiction devait entraîner. Or, connaître les dangers d’un produit et maîtriser les risques de son emploi sont deux choses différentes. De nombreux produits présentent des dangers avérés ; ce qu’il faudrait pouvoir déterminer, c’est quelles quantités, quelles durées d’exposition et quels modes d’utilisation ne sont pas acceptables. Quoi qu’il en soit, l’affaire de l’amiante et quelques autres problèmes sanitaires de grande envergure ont conduit à la création d’organismes nationaux, tels que l’INVS et l’Afsset (*), ayant pour mission de mieux prendre en compte les risques sanitaires et à en informer le public. Au niveau européen, la récente directive Reach impose une gestion des risques intégrée au cycle de vie des produits, de leur fabrication à leur destruction, afin d’en minimiser les dommages éventuels sur la santé et sur l’environnement. A présent, il revient aux entreprises la responsabilité de prouver l’innocuité de leurs produits. Cette nouvelle responsabilisation ne garantira pas pour autant une gestion des risques consensuelle et, face à cette difficulté supplémentaire, les entreprises devront s’appuyer sur des outils de « management de la qualité » et collaborer davantage avec la communauté scientifique afin d’utiliser des produits moins toxiques.