Des chercheurs de l'Université de Toronto mettent au point un composite métallique ultra-résistant et léger capable de supporter des températures extrêmes (jusqu’à 500 °C)
infohightech ·
« Nous pensons qu’il s’agit d’une avancée majeure vers des véhicules plus robustes, plus légers et plus performants. »
Des chercheurs de l'Université de Toronto ont conçu un nouveau matériau composite à la fois très léger et extrêmement résistant – même à des températures allant jusqu'à 500 degrés Celsius.
Ce matériau, décrit dans un article publié dans Nature Communications , est composé de divers alliages métalliques et de précipités nanométriques, et possède une structure qui imite celle du béton armé – mais à l'échelle microscopique.
Ces propriétés pourraient le rendre extrêmement utile dans l'aérospatiale et d'autres industries de haute performance.
« Les barres d’armature en acier sont largement utilisées dans le secteur de la construction pour renforcer la structure du béton dans les bâtiments et autres ouvrages de grande envergure », explique Yu Zou, professeur agrégé au département de science et génie des matériaux de la Faculté des sciences appliquées et de génie de l’Université de Toronto et auteur principal de l’étude. « De nouvelles techniques, comme la fabrication additive, aussi appelée impression 3D métal, nous permettent désormais de reproduire cette structure sous la forme d’un composite à matrice métallique. Cette approche nous offre de nouveaux matériaux aux propriétés inédites. »
Bien que l'acier reste le principal matériau de structure des trains et des automobiles, l'aluminium présente certains avantages dans les avions en raison de son poids plus faible.
L’allègement – la réduction du poids des composants tout en préservant leur résistance – permet de diminuer la puissance nécessaire au déplacement du véhicule, ce qui améliore le rendement énergétique. C’est particulièrement important dans l’aérospatiale, où chaque gramme compte.
Mais les alliages d'aluminium ont aussi leurs inconvénients, précise Chenwei Shao , chercheur associé au laboratoire de Zou et auteur principal du nouvel article.
« Jusqu’à présent, les composants en aluminium souffraient d’une dégradation de leurs performances à haute température », souligne Chenwei Shao. « En clair, plus ils chauffent, plus ils deviennent mous, ce qui les rend inadaptés à de nombreuses applications. »
Pour surmonter ce problème, l'équipe a cherché à construire un composite de différents métaux qui aurait la même structure que le béton armé : une cage ou un treillis composé de barres d'armature en acier, entouré d'une matrice de ciment, de sable et de granulats.
Nature Communications (2025). DOI : 10.1038/s41467-025-65234-9
« Dans notre matériau, l’armature est un treillis composé de barres en alliage de titane », explique Shao. « Grâce à une technique de fabrication additive qui consiste à chauffer des poudres métalliques à l’aide de lasers pour les solidifier, nous pouvons réaliser ce treillis à la dimension souhaitée. Les barres peuvent avoir un diamètre aussi petit que 0,2 millimètre. »
Image microscopique du nouveau composite à matrice métallique, qui imite la structure du béton à une échelle minuscule (photo de Chenwei Shao)
Pour combler les espaces entre ces entretoises, l'équipe a utilisé une technique appelée micro-moulage afin de créer une matrice composée d'autres éléments tels que l'aluminium, le silicium et le magnésium. Cette matrice sert de liant pour maintenir l'ensemble.
La résistance est encore accrue par des particules micrométriques d'alumine et des nanoprécipités de silicium incorporés dans la matrice de « ciment ». Ces particules sont comparables aux graviers ou aux granulats utilisés dans le béton.
L'équipe a ensuite soumis son nouveau matériau à divers tests afin de déterminer sa résistance.
« À température ambiante, la limite d'élasticité maximale obtenue était d'environ 700 mégapascals ; une matrice d'aluminium classique se situe plutôt entre 100 et 150 mégapascals », met en avant Shao. « Mais c'est à haute température que ce matériau révèle tout son potentiel. À 500 °C, sa limite d'élasticité atteint 300 à 400 mégapascals, contre environ cinq mégapascals pour une matrice d'aluminium traditionnelle. »
« En fait, ce nouveau composite métallique offre des performances comparables à celles des aciers de moyenne gamme, mais pour un poids trois fois inférieur. »
La capacité du matériau à résister à la dégradation à des températures aussi élevées était surprenante, l'équipe a donc élaboré des modèles informatiques détaillés pour comprendre les mécanismes sous-jacents.
« Nous avons constaté qu'à haute température, ce matériau composite se déforme selon un mécanisme différent de celui de la plupart des métaux », lance Huicong Chen, co-auteur de l'étude et responsable des simulations informatiques. « Nous avons nommé ce nouveau mécanisme "maclage renforcé". Il permet au matériau de conserver une grande partie de sa résistance, même à très haute température. »
Zou affirme que même s'il faudra peut-être un certain temps avant que ce nouveau matériau ne soit utilisé par l'industrie, sa découverte souligne les avantages des techniques émergentes, telles que la fabrication additive.
« Nous n'aurions pas pu fabriquer ce matériau autrement », explique-t-il. « Il est vrai que la production à grande échelle de tels matériaux reste onéreuse, mais certaines applications justifient pleinement les hautes performances. Et à mesure que les entreprises investissent dans les technologies de fabrication avancées, les coûts finiront par baisser. »
« Nous pensons qu’il s’agit d’une avancée majeure vers des véhicules plus robustes, plus légers et plus performants. »