202 - Les matériaux d'avant-garde

Au Québec, environ 80% des pièces composites sont fabriquées en moule ouvert (résine polyester et renfort de verre). En moyenne, on mesure 10% de pertes lors des opérations de découpe et détourage, ce qui représente une masse de résidus d'environ 8000 tonnes/an à l'enfouissement. Dans un contexte de compétition internationale où les législations relatives à l'environnement et aux questions de santé et de sécurité au travail sont au cœur des préoccupations, la revalorisation de ces résidus devient une priorité. Le CDCQ travaille en collaboration avec 6 partenaires manufacturiers et 2 centres collégiaux de transfert de technologie afin de trouver des solutions innovantes pour revaloriser ces résidus. Ce projet, d'une durée de 5 ans (2010-2015), est subventionné par le CRSNG (Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada) et a pour objectifs de : (1) Diminuer les risques du passage de technologies de laboratoire de traitement des résidus à un degré de confiance suffisant pour mettre en œuvre un pilote à l'échelle industrielle, (2) Valider la possibilité de revaloriser d'autres rejets solides et valider la réinsertion de résidus par le biais de procédés à moule fermé, qui produisent moins de composés organiques volatils (COV). (3) Trouver d'autres débouchés pour ces matières, élaborer et optimiser la boucle de recyclage tant au niveau technique que sur les aspects d'hygiène, de santé et de sécurité et (4) Démontrer la viabilité économique.

Leur faible poids et leurs excellentes propriétés mécaniques font des composites des matériaux de pointe très prometteurs pour de nombreuses applications. Leur utilisation est aujourd'hui en plein essor, notamment dans le domaine aérospatial. Dans ce secteur où la fiabilité des structures est primordiale, une attention particulière est portée à l'inspection minutieuse des pièces. L'arrivée des matériaux composites a donc entrainé le développement de technologies de contrôle non destructif adaptées à ces nouveaux matériaux afin de caractériser et localiser les défauts avec précision. Ces méthodes permettent d'inspecter des pièces composites sans les dégrader, que ce soit au cours de leur production, durant leur mise en service ou encore dans le cadre de maintenances. Les techniques sont souvent complémentaires et rendent possible le contrôle de la plupart des pièces composites. Le Centre Technologique en Aérospatiale est le seul à regrouper dans un même lieu trois des plus récentes techniques d'inspection non destructive développées à ce jour : la shearographie, la thermographie et les ultrasons laser. Afin d'évaluer les capacités spécifiques de chacune, quatre pièces composites aéronautiques complexes fournies par le Centre Spatial de Liège ont été inspectées. La comparaison des résultats obtenus par chaque méthode et pour chaque pièce permet d'établir la ou les techniques les plus appropriées selon le type de défaut à détecter et les caractéristiques de la pièce.

L'acide polylactique (PLA) est devenu un substitut réaliste aux polymères de commodité issus du pétrole, généralement non biodégradables et parfois difficilement recyclables. Au cours de ces dernières années, le coût du PLA n'a cessé de diminuer, offrant ainsi de réelles opportunités en termes d'innovations et de viabilité pour les nouvelles résines élaborées. Le PLA présente des propriétés thermiques et mécaniques intéressantes qui seront décrites lors de cette présentation. Par contre, à l'instar d'autres polyesters, la fragilité du PLA est bien connue. Sa faible résistance à l'impact limite son utilisation pour diverses applications, que ce soit pour les pièces durables ou jetables. Sa stabilité thermomécanique pose également un problème car on connaît bien ses faiblesses en termes de résistance mécanique à des températures proches de sa température de transition vitreuse. Différentes stratégies pour fabriquer de nouveaux éco-composites à base de PLA, aux propriétés physiques améliorées, seront exposées. L'incorporation dans le PLA via un procédé d'extrusion (milieu fondu) de plastifiants, polymères flexibles (élastomères), agents couplants et fibres sera décrite. Nous verrons comment l'introduction de telles charges peut conduire à des matériaux dont certaines propriétés surclassent celles des polymères conventionnels.

Le CSPP, en collaboration avec le CNETE, développe des papiers spéciaux où est incorporé un agent actif qui interagit avec le produit emballé en modifiant les conditions pour inhiber des bactéries pathogènes gram positif tel que le « Listéria ». L'utilisation de ce type d'emballage par l'industrie alimentaire va permettre de garantir la sécurité et l'innocuité des produits emballés. Il s'agit de traitements à la surface d'un papier afin d'introduire une matrice contenant un agent antimicrobien, ce qui permet d'assurer sa stabilité dans le temps pour que sa libération (largage) soit contrôlée une fois incorporé dans les papiers. Différentes étapes ont été effectuées pour appliquer à la surface de papiers les matrices composées de molécules actives et de polymères biologiques tels que l'amidon, la cellulose microcristalline et la nanocellulose. La nanocellulose a des propriétés mécaniques intéressantes pour être utilisée dans ce genre de matériaux intelligents pouvant agir comme barrière aux gaz. Les analyses effectuées ont permis de mesurer la résistance physique, la résistance à la graisse, la résistance à l'air et le taux de transmission de vapeur d'eau de papiers comportant de la nanocellulose. Par la suite, les travaux ont porté sur la détermination des doses optimales de l'agent antimicrobien dans la matrice afin d'optimiser leur fonctionnalité et leur cinétique de relargage dans le temps et en fonction des conditions environnantes.

Depuis la source des fibres qui le compose jusqu'aux ultimes modifications de surface, une gamme abondante de produits peut être créée sous le terme générique de papier. Le Canada en général et le Québec en particulier possèdent les matières premières et les technologies pour développer, de nouveaux produits innovants notamment dans l'emballage. La pâte thermo-mécanique (PMT) est la production majoritaire au Québec. Ses propriétés s'avèrent satisfaisantes pour la fabrication du papier journal mais limité pour une application en emballage. D'autre part, la cellulose micro et nano-fibrillée (CMNF) extrait des fibres de bois, s'avère un matériau aux propriétés intrinsèques élevés mais à un coût important. Notre groupe oriente ses recherches vers la conception d'un papier à base PTM structuré en surface par de la nanocellulose pour atteindre les propriétés mécaniques et barrières nécessaire à une application emballage. Notre recherche se concentre sur l'ajout de CMNF dans la production papetière en utilisant un procédé d'intégration singulier : le couchage rideau en partie humide. En contrôlant la rhéologie des solutions de CMNF et leur impact sur la formation du papier, la structure, et donc les propriétés, du matériau fibreux peuvent être maîtrisées. En plus de ses fonctions propres, ce papier pourra notamment servir de matériau plateforme comme pour le papier couché, mais pour divers produits d'emballage.

Les alliages d'aluminium-lithium sont caractérisés par la formation d'une forte texture de déformation, orientation cristalline préférentielle, pouvant entraîner une anisotropie des propriétés mécaniques, c'est-à-dire que les propriétés varient selon la direction. L'utilisation des alliages aluminium-lithium en aéronautique nécessite une connaissance approfondie de leur microstructure et propriétés mécaniques. L'alliage étudié est l'aluminium-lithium extrudé 2099 d'Alcoa ayant subi un traitement thermique T83. Les différentes particularités microstructurales telles que la grosseur des grains, la taille, la répartition et la composition chimique des précipités et des particules de deuxième phase de même que la texture de déformation ont été caractérisées. Une anisotropie des propriétés mécaniques est observable. La texture fibre <111> est présente en différentes intensités selon la position dans les pièces extrudées et ces variations sont corrélées avec les résistances mécaniques ainsi que l'anisotropie. À partir des informations obtenues grâce à la caractérisation, une modélisation empirique a été effectuée. Cette modélisation permet de relier les différentes propriétés mécaniques statiques ainsi que les valeurs d'anisotropie à l'intensité de la texture fibre <111>. Les propriétés mécaniques peuvent donc être estimées pour tout nouveau design de pièce extrudée d'alliage 2099 T83 à l'aide des données de texture.

Dans le cadre d'un projet d'innovation dans les collèges et la communauté (ICC) du CRSNG, le centre de métallurgie du Québec travaille activement à développer des méthodes d'élaboration et de coulée innovantes permettant de mettre en œuvre les alliages avancées à base de titane et de zirconium. Parmi ceux-ci : le développement d'une formulations de carapaces et de revêtements permettant de minimiser l'épaisseur de la couche contaminée en oxygène qui se forme en surface des pièces de titane coulées dans des moules de graphite ou à l'aide du procédé de moulage en cire perdue; le développement d'une technique d'élaboration de l'alliage à mémoire de forme, le nitinol (Ti-Ni); le développement d'alliages amorphes à base de zirconium et l'élaboration d'un alliage biocompatible super-élastique ayant un module de rigidité se rapprochant de l'os cortical.