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Révolution au coeur des matériaux

BTP et matériaux

L'amélioration de la qualité de la vie quotidienne constitue depuis toujours une des préoccupations majeures de l'homme. Sans oublier la rénovation thermique des bâtiments, l'un des grands enjeux de notre société dans un contexte de raréfaction des matières premières énergétiques. C'est dans ce cadre que s'inscrit la recherche perpétuelle de nouveaux matériaux plus performants, plus écologiques, mieux adaptés aux contraintes et exigences de l'époque.

Les tendances actuelles, soutenues désormais par l'évolution des réglementations, font de la performance énergétique un critère de recherche déterminant dans l'élaboration de matériaux innovants : isolation, matériaux de construction,... ; il s'agit de repenser complètement les habitudes qui ont régi l'industrie de la construction les trois dernières décennies et optimiser les propriétés des matériaux de demain. Une approche développée pour fabriquer des nanocomposants consiste à assembler la matière atome par atome ou molécule par molécule pour construire des nano-objets qui seront ensuite intégrés dans des systèmes plus complexes. Ce sont les nanomatériaux.

Les besoins et réglementations créent de la diversité, mais aussi des techniques nouvelles comme l'impression 3D qui permet désormais l'utilisation de certaines familles de matériaux. 

De tout temps, des matériaux nouveaux ont accompagné le progrès scientifique et technique. Si travailler l’infiniment petit représente la rupture de technologie la plus marquante de ces vingt dernières années, d’autres révolutions se préparent. Fortement corrélés à des procédés de fabrication en constante adaptation, les matériaux d’aujourd’hui et de demain sont des produits de synthèse high tech, prennent la forme de composites aux combinaisons presque infinies ou se structurent différemment pour des propriétés inédites. Des matériaux à l’imagination débordante, impensables il y a quelques années encore. Petit tour d'horizon. 

Les matériaux de demain

Les briques en papier

La start-up américaine BetR-blok a conçu de véritables "briques" à partir d'un mélange de ciment et de cellulose provenant de papier et de carton recyclé. "Avec le papier gaspillé chaque année aux Etats-Unis, on pourrait construire un mur de 15 mètres de haut tout autour du pays", font valoir ses concepteurs, qui entendent lutter contre ce gâchis. Leur brique est aussi un excellent isolant acoustique, résistant aux moisissures et au feu : l’idée étant de réaliser des panneaux phononiques minces dans un matériau suffisamment léger et mou, comme le carton ou le papier, pour faciliter la communication entre les trous et piéger efficacement le bruit.

Les bétons à haute performance

Le béton est le matériau manufacturé le plus utilisé dans le monde mais son comportement physico-chimique reste l'un des plus mal connu. On met en œuvre en France chaque année 60 millions de m3 de béton, soit 1 m3 par habitant. Le béton moderne contient moins de 10% de ciment, le reste étant du sable et du gravier. Alors que le parpaing (moellon de béton) et la brique creuse ont été largement utilisées après la fin de la seconde guerre mondiale, de nouveaux matériaux sont aujourd’hui nécessaires pour satisfaire aux nouvelles normes d’isolation. Les constructions récentes utilisent des systèmes à ossature bois ou acier, du béton cellulaire ou de la brique Monomur alvéolaire.

- Le Béton transparent :

Mais voici le béton LiTraCon ( LIght TRAnsmitting CONcrete), inventé par un architecte hongrois. Il transforme les murs en théâtres d'ombres chinoises. Ces blocs de bétons, qui possèdent exactement les mêmes qualités mécaniques qu'un béton classique, laissent pourtant passer la lumière grâce à des fibres optiques insérées à l'intérieur même du béton. Véritable innovation, chaque bloc est une combinaison entre fibre optique et béton très fin, une structure homogène laissant passer la lumière.
Un produit distribué en France par Byzance Design.

- Le béton éternel :

Une structure en béton exposée aux agressions extérieures (neige, sel marin, pollution...) est victime de la corrosion au fil du temps, faisant apparaître des fissures et des déformations. Une équipe de chercheurs de l'Université de Wisconsin-Milwaukee, menée par le professeur Konstantin Sobolev, ont mis au point un "super béton" baptisé SECC, plus résistant, qui repousse l'eau et dispose même d'une certaine souplesse. Baptisé SECC (Superhydrophobic Engineered Cementitious Composite), il possède un tel niveau de résistance aux fissures que les chercheurs estiment sa durée de vie à 120 ans. Sa structure particulière lui permet également de supporter une compression quatre fois supérieure à celle du béton armé et il possède une ductilité (capacité à être déformé sans se rompre) 200 fois supérieure. En comparaison, la durée de vie moyenne des routes bétonnées du Wisconsin se situe autour de 40 à 50 ans, et 10 % des tabliers de ponts requièrent un remplacement après 30 ans.

De plus, afin de s'assurer que ce nouveau matériau est réellement plus résistant qu'un béton traditionnel, l'équipe a intégré des électrodes à son tronçon de test (de 4,5 m sur 1,2 m), à environ 2,5 cm sous la surface. Elles sont reliées à un système qui enregistre les données et peuvent détecter si de l'eau pénètre dans le béton et à quelle profondeur. Elles peuvent également détecter la présence d'ions de chlorure dans le matériau, et percevoir le poids et la pression exercés par les véhicules lorsqu'ils passent dessus. (Compte-rendu des travaux en cours consultable ici).
En cours de commercialisation.

Le Bois lamellé-collé - Cross Laminated Timber (CLT)

Il permettrait de construire des immeubles de dix à trente étages. Ce procédé de fabrication consiste à assembler des lamelles de bois (épicéa, sapin de Douglas, etc.) avec de la colle et permet d’obtenir de très grandes pièces aux formes souhaitées, aussi solides que le béton renforcé. 
A l'exemple du Stadthaus, conçu par l’architecte Andrew Waugh, dans le district londonien d'Hackney : cet immeuble est construit en bois, du sol au plafond, en passant par les cages d’ascenseur et d’escalier. Inauguré en 2009, il est alors l’immeuble en bois le plus haut du monde. Il sera vite dépassé par le Forté à Melbourne en 2012 et le Barents à Kirkenes en 2014. Mais les architectes espèrent aller beaucoup plus haut ces prochaines années ! Une tour de trente-quatre étages à Stockholm ? Et pourquoi pas un gratte-ciel en bois de quarante-deux étages à Chicago ? 
Photo : HP Copyright © 2013 Yellowtrace

Un revêtement régulateur de chaleur

Le Micronal PCM, fabriqué par BASF,est un matériau dit "à changement de phase", c'est-à-dire qui évolue en fonction de la température, ce qui permet de réguler la chaleur. Il se présente sous la forme de microbilles de polymère contenant de la cire. Quand la température augmente, la cire absorbe la chaleur et la stocke. Quand la température diminue, la cire dans les microbilles restitue la chaleur latente emmagasinée.
Durant la période de changement de phase, la température demeure constante et permet de réguler la température à des niveaux confortables entre 22 et 26°C. A 21°C, 23°C ou 26°C selon le choix de l'utilisateur, les paraffines qu'il contient fondent, absorbant la chaleur environnante. 

Grâce à la micro-encapsulation les Micronal peuvent être incorporés dans les matériaux de construction. Ainsi, ils sont destinés aux fabricants de peintures et de plaques de plâtre.

Les Micronal sont indestructibles, inertes et non toxiques. Ils sont disponibles sous forme liquide ou poudre.

Les vitrages électrochromes (ou à occulation automatique)

Intégrant des oxydes de titane ou de tungstène, ces vitres foncent à la demande et diminuent les besoins de climatisation tout en conservant une bonne luminosité, afin d'optimiser la consommation énergétique. On peut ainsi imaginer avoir en été ou par temps très lumineux un vitrage coloré afin de limiter l’éblouissement et l’échauffement ; inversement, en hiver ou par temps couvert, le vitrage reste décoloré pour profiter des apports du soleil.

En plus d'être isolant, sous l’effet d’un faible courant électrique, ce verre peut passer d’un état clair à un état teinté (et inversement) tout en restant transparent. Le verre extérieur du double ou triple vitrage est recouvert de fines couches de métal d'une épaisseur totale inférieure à 1/50 de cheveu humain. Quand un faible courant passe à travers le revêtement (coating), les ions se déplacent d’une couche à l’autre provoquant la teinte du vitrage, ce qui réduit la quantité de lumière passant au travers. L’inversion de la polarité du courant cause le retour des ions à leur couche d’origine, et ainsi du verre à son état clair. Le système complet comporte des électroniques de contrôle permettant au verre de gérer la transmission lumineuse à travers 4 niveaux de teintes différents. 
Cette technologie met en application le principe d’oxydation / réduction (réaction au cours de laquelle se produit un transfert d'électrons). Elle peut être contrôlée automatiquement, manuellement ou les deux, afin de s’adapter aux besoins des différents bâtiments.
Industrialisé par Saint-Gobain sous la marque Quantum Glass.

La membrane respirante et étanche à la fois

Le Stamisol est une paroi en composite d'une longévité "exceptionnelle", selon son concepteur, le groupe industriel Serge Ferrari. Résistante à de fortes expositions aux UV et parfaitement étanche, elle permet d'évacuer l'humidité intérieure du bâtiment, évitant ainsi les risques de condensation et de moisissure.
Stamisol est le choix idéal derrière une façade ventilée transparente, ajourée ou créative. Une large gamme de couleurs donne la possibilité aux architectes de réaliser des façades uniques (transparence, profondeur, dynamisme …).

L'aérogel de silice ultra isolant

Le Nanogel Lumira, fabriqué par la société Cabot Corporation (Boston - USA) est tout simplement l'un des isolants les plus efficaces au monde. Constitué de 97% de vide et de grains de silice amorphe (qui contrairement à la silice cristalline ne présente quasiment aucune toxicité), il est donc transparent et stable aux UV. C'est non seulement un isolant thermique exceptionnel, 3 à 6 fois meilleur que les matériaux classiques, mais aussi un excellent isolant acoustique, idéal pour les appartements, les bureaux ou les hôpitaux par exemple, tout en permettant de laisser passer la lumière.

Le plâtre antichoc, antibruit et dépolluant

Plaque de plâtre haute densité à dureté superficielle élevée résistant aux chocs, améliorant la qualité de l'air et le confort acoustique. Elle est composée d'une structure cristalline de gypse spécifique additionnée de 2% de fibres de bois, entièrerement recyclable (sur site de production Placoplatre ). Le Placo Impact Activ'Air est quatre fois plus résistant qu'une plaque de plâtre standard. Il possède surtout des vertus dépolluantes : un composant spécifique, incorporé à hauteur de 0,2% dans le plâtre, capte 80% des composés organiques volatils (COV) et les transforme en composés inertes. Idéal pour les cloisons et les murs des chambres d'enfant par exemple. Surtout que ses qualités ne s'arrêtent pas là : il réduit aussi le bruit de 50% et possède une très haute résistance aux chocs : les tests opérés, simulant des coups de pieds et coups de table répétés, ont démontré une résistance 4 fois supérieure à celle d'une plaque standard. Cette résistance permet également à la paroi de supporter l'accrochage des charges lourdes (jusqu'à 30 % supérieures à une plaque standard) à l'aide de fixations adaptées (écran plat, meubles...).
www.placo.fr

Les céramiques cellulaires

Les céramiques cellulaires se caractérisent par une architecture poreuse dont la taille des pores peut être modulée depuis quelques microns jusqu’à quelques nanomètres. La morphologie varie en fonction des techniques d’élaboration et de la nature des matières premières (notamment des agents porogènes). On peut ainsi obtenir des mousses, des nids d’abeilles, des sphères creuses assemblées, des fibres connectées. 
Ces mousses présentent de nombreux avantages par rapport aux autres matériaux cellulaires parmi lesquels une plus grande chute de pression, une température d’utilisation plus basse, la structure isotrope permettant une meilleure pénétration du gaz, une filtration plus homogène, la présence de fissures n’affectant pas la filtration et une meilleure résistance thermique.

Les matériaux céramiques cellulaires sont produits en mélangeant d'abord l'argile, le carbone et environ 40 % à environ 70 % d'eau en poids de l'argile dans le mélange, en permettant au mélange de durcir, en séchant le mélange durci, puis en cuisant le mélange séché à une température et pendant une période suffisante pour faire fondre la surface du mélange. Le matériau argileux peut être, par exemple, des argiles de surface, des ball clays, du kaolin, du schiste, de la cendre volante et/ou de la bentonite. Dans un autre mode de réalisation, un mélange de cendre volcanique, de carbone et d'eau peut être formé et stratifié avec le mélange d'argile, de carbone et d'eau. Les matériaux céramiques cellulaires sont, dans la plupart des cas, imperméables aux liquides, sont capables de supporter des charges importantes de tension et de compression sans renfort, et ne nécessitent aucun matériau isolant supplémentaire. Un tel matériau céramique cellulaire peut également être utilisé dans la construction de bâtiments qui comportent un squelette métallique qui comprend des barres métalliques qui forment une structure pour supporter le matériau de construction céramique cellulaire.
L'élaboration de matériaux céramiques cellulaires se fait surtout pour la réalisation dans le domaine médical de substituts osseux.

Des matériaux issus de l'impression 3D

On sait que, en partenariat avec l’université de Science et de Technologie du Missouri aux États-Unis, la NASA, l’agence spatiale américaine, a lancé dès 2013 un programme de recherche pour le développement de matériaux innovants et bien plus résistants que les matériaux de fabrication actuels.
Par exemple, le Dr. Frank Liou, directeur du laboratoire LAMP (pour Laser Aided Manufacturing Process) confirme que l’acier issu des méthodes d’impression 3D est 10% plus résistant que par le biais des méthodes classiques.

Les familles de matériaux pouvant être utilisés en impression 3D :

- Les plastiques : PLA, ABS
- Les polymères : Bois, Pierre
- Les métaux : Or, Argent, Aluminium, Acier, Cobalt, etc.
- Les résines
- Les cires
- Les céramiques
- Les bétons

Matériaux actifs du futur

Poussés par la recherche d'efficacité énergétique, les constructeurs mettent au point des matériaux de plus en plus actifs. 
Les métacomposites voient plus loin encore que les composites, en incluant des circuits électroniques, des matériaux piézoélectriques, des capteurs et des résonateurs dans une matrice polymère. Leur conception repose sur une approche distribuée des lois de contrôle à l’intérieur d’une structure. Avec son équipe de chercheurs menée par Manuel Collet, le département de Mécanique appliquée de FEMTO-ST est le spécialiste de la question en France.

Dans un souci de réduction des coûts et notamment de la facture énergétique, l’industrie aéronautique, l’ingénierie civile ou encore la filière nucléaire utilisent des structures de plus en plus légères, qui posent par ailleurs des problèmes de robustesse, de stabilité et de fatigue, auxquels les métacomposites peuvent remédier. Pour leur garantir un fonctionnement optimal, il est crucial de maîtriser des vibrations d’autant plus importantes que les structures sont légères.

Des polymères amortissants sont inclus au matériau pour contrôler et empêcher la propagation d’ondes acoustiques de surface, sur ce que Manuel Collet appelle leur « peau active ». « Nous travaillons sur les fréquences audibles, entre quelques centaines et 20 000 hertz, ce qui représente une structuration centimétrique du matériau avec des inclusions de MEMS à l’échelle submillimétrique. »

Parallèlement à ce contrôle des vibrations, des capteurs et des actionneurs assurent des fonctions d’autoévaluation et d’adaptation du matériau par lui-même, ce qui le place dans la gamme futuriste des matériaux actifs.

Les smart systems incorporés recueillent des données sur la santé des composants, leur niveau de fatigue, leur risque de rupture, et sont capables d’établir un pronostic sur leur durée de vie restante. Le contrôle de forme est une parfaite illustration des recherches menées à FEMTO-ST. Dans le matériau, un capteur est capable de saisir une information provenant de l’extérieur puis de la transmettre à un actionneur qui va déclencher une modification de la structure. Ainsi, une aile d’avion réalisée dans ce type de matériaux saura à l’avenir adapter sa forme en tenant compte de paramètres comme la vitesse d’écoulement de l’air pour optimiser par exemple la portance aérodynamique.

Des collaborations fortes sont engagées entre l’Institut FEMTO-ST et des industriels sur ces sujets porteurs d’avenir. En 2017, des travaux menés pour l’aviation avec SNECMA se concrétiseront dans des essais proches de la réalité. Les futurs lancements d’Ariane V (ASTRIUM) devraient donner lieu à des tests en vol dès 2015. (Source : UFC - Université de Franche-Comté 2013)

Cf "Les matériaux du futur" - ARTE TV

Cf Laboratoire de recherche des materiaux du futur de Saint-Gobain

Cf site de veille des matériaux innovants www.materio.com

Cf Institut des Matériaux Jean Rouxel - Nantes

Cf Forum NanoRESP