Healing-phase architecture governs cryogenic damage tolerance and mechanical recovery in EMAA-modified self-healing carbon fibre/epoxy composites

L'hydrogène est un carburant propre qui brûle sans produire d'émissions de carbone, ce qui en fait un candidat prometteur pour alimenter les futurs véhicules et engins spatiaux. Pour l'utiliser efficacement, cependant, les ingénieurs doivent stocker de vastes quantités de ce gaz dans des réservoirs qui soient à la fois incroyablement légers et assez résistants pour contenir le gaz sous une pression immense ou à des températures de congélation. Les réservoirs les plus avancés sont fabriqués à partir de couches de fibre de carbone enveloppées dans une résine plastique robuste. Bien que ces matériaux soient plus légers que le métal, ils possèdent une faiblesse cachée : lorsque la température descend jusqu'au froid extrême requis pour stocker l'hydrogène liquide, les différents matériaux à l'intérieur du réservoir se rétractent à des rythmes différents. Ce décalage crée de minuscules fissures dans le plastique entre les couches de fibres. Avec le temps, ces fissures peuvent se rejoindre pour former des voies permettant à l'hydrogène de s'échapper, ce qui pourrait provoquer la défaillance du réservoir. Les scientifiques travaillent sur des moyens de rendre ces réservoirs « auto-réparateurs », ce qui signifie qu'ils peuvent réparer ces minuscules fissures automatiquement lorsqu'ils sont réchauffés, tout comme une coupure sur la peau guérit lorsque les processus naturels du corps referment la plaie.

Des chercheurs de l'Université Queen Mary de Londres et de Graphene Innovations Manchester se sont penchés sur un puzzle spécifique concernant la construction de ces réservoirs auto-réparateurs. Ils savaient que l'ajout d'un plastique spécial appelé acide éthylène-méthacrylique (EMAA) pourrait aider le matériau à se réparer lorsqu'il est chauffé, mais ils ne savaient pas où ce plastique de réparation devait être placé pour fonctionner de manière optimale dans l'environnement cryogénique de froid extrême. Ils ont testé deux méthodes très différentes pour introduire ce plastique dans les couches de fibre de carbone. Dans la première méthode, ils ont inséré une feuille continue de ce plastique de réparation directement au milieu de l'empilement, comme une couche de beurre entre deux tranches de pain. Dans la seconde méthode, ils ont pulvérisé de minuscules particules de ce même plastique directement sur la surface des fibres de carbone avant que les couches ne soient empilées, créant ainsi une distribution dispersée du matériau de réparation dans toute la structure. En testant ces deux conceptions sous les mêmes conditions, l'équipe visait à découvrir quel arrangement permettrait au réservoir de rester le plus solide et le plus résistant aux dommages après des cycles répétés de gel et de dégel.

L'équipe a fabriqué des échantillons de plastique renforcé de fibres de carbone en utilisant les deux méthodes et les a soumis à des tests rigoureux. D'abord, ils ont étiré les échantillons à température ambiante pour voir à quel point ils étaient rigides et solides. Comme prévu, l'ajout du plastique de réparation rendait le matériau légèrement moins rigide et moins solide qu'un échantillon standard non modifié, car le plastique est plus mou que la résine époxy qu'il remplace. Cependant, lorsque les chercheurs ont refroidi les échantillons jusqu'à la température de l'azote liquide, qui est d'environ moins 196 degrés Celsius, le comportement a radicalement changé. Tous les échantillons sont devenus beaucoup plus rigides et plus solides, une réaction courante pour ces matériaux dans le froid. Curieusement, l'échantillon avec les particules pulvérisées a retrouvé sa force d'origine, égalant la performance du matériau non modifié, tandis que l'échantillon avec la feuille centrale est resté légèrement plus faible. Cela suggérait que la dispersion des particules de réparation sur les surfaces de fibres aidait le matériau à mieux supporter le stress initial du froid que d'avoir une seule couche épaisse au milieu.

Le véritable test, cependant, est survenu lorsque les chercheurs ont simulé les dommages et la réparation répétés qu'un véritable réservoir d'hydrogène subirait. Ils ont chargé les échantillons, les ont réchauffés pour laisser le plastique de réparation fondre et s'écouler dans les fissures, les ont refroidis à nouveau, et ont répété ce cycle quatre fois. À température ambiante, les échantillons non modifiés ont perdu plus de la moitié de leur rigidité à la fin du test, tandis que les échantillons auto-réparateurs ont conservé la majeure partie de leur force. L'échantillon avec la feuille de plastique au milieu a obtenu les meilleurs résultats, conservant près de 90 % de sa rigidité d'origine, alors que l'échantillon pulvérisé en a conservé environ 70 %. Lorsque l'équipe a répété ce cycle brutal en conditions cryogéniques, la différence est devenue encore plus critique. Les échantillons non modifiés ont totalement échoué avant de pouvoir terminer le quatrième cycle, se brisant en raison des dommages accumulés. En revanche, les deux conceptions auto-réparatrices ont survécu aux quatre cycles. L'échantillon avec la feuille de plastique au milieu a non seulement survécu, mais est devenu plus solide qu'avant, affichant une force finale qui était en fait supérieure à sa force initiale avant le début des dommages. Il s'est également étiré beaucoup plus loin avant de rompre, indiquant qu'il était devenu plus flexible et plus résilient après le processus de guérison.

Pour comprendre pourquoi la feuille centrale fonctionnait beaucoup mieux dans le froid, les chercheurs ont examiné de près les morceaux brisés sous un microscope. Les échantillons non modifiés montraient un désordre chaotique de fissures qui s'étaient propagées à travers toutes les couches, créant un réseau de dommages que le matériau ne pouvait pas réparer. Les échantillons pulvérisés montraient une certaine amélioration, les particules de plastique fondu aidant à combler de petits écarts, mais les dommages étaient toujours dispersés dans tout le matériau. L'échantillon avec la feuille centrale, cependant, racontait une autre histoire. La couche continue de plastique de réparation agissait comme une zone dédiée qui absorbait les dommages. Lorsque le matériau était chauffé, cette couche coulait et recollait les parties séparées, refermant efficacement les fissures et restaurant l'intégrité structurelle de l'ensemble du panneau. Les chercheurs ont observé que le plastique de cette couche intermédiaire s'était en fait légèrement échappé par les bords pendant le processus de guérison, prouvant qu'il avait fondu et bougé pour remplir les vides. Ce flux continu permettait au matériau de recouvrer sa capacité à supporter une charge bien mieux que les particules dispersées.

L'étude conclut que, bien que les deux méthodes d'ajout de plastique auto-réparateur améliorent la durabilité des réservoirs en fibre de carbone, l'emplacement de ce plastique est le facteur décisif de la performance dans le froid extrême. Placer une feuille continue au milieu des couches offre la protection la plus efficace contre les fissures répétées causées par le gel et le dégel. Cette approche permet non seulement au matériau de ne pas se briser, mais l'aide également à regagner sa force et sa flexibilité après chaque cycle. Bien que les chercheurs n'aient pas mesuré directement les fuites de gaz dans cette expérience spécifique, le fait que la conception avec la feuille centrale empêche la formation d'un réseau connecté de fissures suggère qu'elle serait également très efficace pour empêcher l'hydrogène de s'échapper. Cette découverte offre une voie claire pour les ingénieurs concevant la prochaine génération de réservoirs de stockage d'hydrogène légers, sûrs et réutilisables pour les véhicules et les engins spatiaux, montrant qu'un simple changement dans la disposition du matériau de guérison peut faire une différence profonde dans la capacité du réservoir à survivre aux environnements les plus rudes.