TECHNOLOGIES CLÉS 2010 (novembre 2006)

Matériaux – chimie

24. Fonctionnalisation des matériaux

Description

Les évolutions dans les usages des matériaux se traduisent par une complexification des cahiers des charges fonctionnels. On demande désormais aux matériaux d'être plus spécifiques et mieux adaptés à l'application pour laquelle ils sont prévus, l'objectif à terme étant de concevoir et produire des matériaux sur mesure. La fonctionnalisation des matériaux répond à des attentes multiples, parfois complémentaires. Ainsi, on peut vouloir :

• des matériaux plus performants : parmi les matériaux concernés, certains conservent en conditions extrêmes leurs propriétés mécaniques (résistance au fluage, à la fatigue, éventuellement aux chocs thermiques ...) ou de résistance à la corrosion (réfractaires) : procédés en milieux extrêmes, tenue au feu, etc. Ces matériaux sont généralement des métaux et des céramiques, massives ou composites. L'amélioration des performances touche également les propriétés mécaniques, dont l'aptitude à absorber les chocs, les vibrations ou le bruit, à dissiper la chaleur ou à maîtriser les conditions de frottement. Dans la construction il s'agit de développer des matériaux à plus haute résistance (bhp, bthp, buhp : bétons hautes, très hautes, ultra hautes performances). C'est également le cas dans les transports où on cherche aussi à concevoir des structures qui permettent d'absorber l'énergie due aux chocs. Les matériaux à structure interne, présentant une organisation de la matière dans le volume (mousses, alvéoles, nids d'abeille ...) répondent à ces exigences ;
• des matériaux plus durables : la durabilité des matériaux est une des principales performances à améliorer pour répondre aux exigences de sécurité accrues. La résistance au vieillissement ou à l'endommagement est critique dans les transports (infrastructures et véhicules), la construction mais également les équipements industriels. Dans ce dernier cas, une meilleure durabilité se traduit par une diminution des coûts d'exploitation et des coûts liés aux arrêts de production. Une évolution technologique plus poussée du point de vue de la durabilité est la conception de matériaux capables de signaler leur état d'endommagement, voire de « s'autoréparer ».
• une multiplication des fonctionnalités : cette tendance est notamment observée pour des matériaux de structure auxquels on confère des propriétés d'usage supplémentaires. Des exemples de telles réalisations sont les verres ou les bétons auto-nettoyants ;
• l'aptitude à la « transformation » : on peut également donner des fonctionnalités supplémentaires aux matériaux pour faciliter leur mise en œuvre ou leur traitement. Dans l'automobile, l'apport de propriétés électriques aux plastiques permet d'envisager leur mise en peinture directement sur les lignes de production.
• l'aptitude à la recyclabilité: la recyclabilité des matériaux tend à devenir un élément dans leur sélection. Il s'agit donc véritablement d'une fonction que l'on cherche à développer, particulièrement dans les domaines soumis à des contraintes réglementaires ou économiques en matière de fin de vie des produits.

Les voies de fonctionnalisation des matériaux sont multiples : elle peut être réalisée en surface (nouveaux procédés de traitement de surface), dans la masse ou par la réalisation d'assemblages (assemblage multimatériaux). Les évolutions sur les connaissances et la maîtrise des matériaux nanostructurés sont favorables au développement d'une fonctionnalisation accrue des matériaux. L'incorporation de nanotubes de carbone permet ainsi de produire des matériaux aux performances mécaniques améliorées, ou avec de nouvelles propriétés électriques. L'utilisation de « matériaux adaptatifs » (piézoélectriques, alliages à mémoire de forme, magnétostrictifs) accompagne également cette tendance.

La maîtrise de l'ensemble des sciences et techniques liées aux matériaux apparaît comme le facteur clé pour répondre aux attentes identifiées ci-dessus. Il s'agit de mieux comprendre et orienter les corrélations structure-propriété. Dans ce cadre, la connaissance fine des structures à l'échelle moléculaire nano-, méso- et macroscopique est nécessaire. La maîtrise des procédés de mise en œuvre et de traitement des matériaux est également critique.

Une collaboration étroite entre chimistes, physiciens, mécaniciens et formulateurs garantit une adaptation optimale des propriétés des matériaux à leur usage. Ce besoin de collaboration au niveau scientifique et technique trouve un relais au niveau industriel dans la nécessité de développer les méthodes et outils de coconception.

Enjeux, Impact

Les enjeux traités ici sont multiples. En développant des matériaux plus performants, par exemple absorbant les chocs ou les vibrations, on répond aux besoins accrus de sécurité dans les transports, la construction ou l'industrie. La prise en compte de la recyclabilité dès la conception des matériaux répond aux exigences réglementaires mais également sociétales.

Mais l'enjeu essentiel d'une généralisation de la fonctionnalisation des matériaux pour une meilleure adaptation à leur usage est la contribution à la constitution d'une industrie fondée sur la connaissance. Ceci permet simultanément de maintenir la compétitivité des industries utilisatrices et d'améliorer l'attractivité en renforçant les compétences françaises dans les sciences et techniques liées aux matériaux.

L'introduction de nouvelles fonctionnalités permet d'augmenter la valeur d'usage des matériaux et des produits, et donc leur prix de vente, alors qu'à fonctionnalités égales la compétition avec les pays où les coûts de production sont plus faibles est plus difficile.

Enfin, le développement et la commercialisation de matériaux fonctionnalisés plus spécifiques, pour de très nombreux marchés et applications de niche, sont compatibles avec l'essor d'un tissu performant de PME, de start-up ou de spin-off issues de grands groupes ou encouragées par les succès de travaux de la recherche académique.

Marché

Tous les marchés sont concernés par le développement des matériaux. Les marchés les plus porteurs d'innovations technologiques sont historiquement les plus exigeants du point de vue des performances : espace, nucléaire, défense, aéronautique, automobile ...

Mais d'autres secteurs apparaissent désormais moteurs pour la mise au point de matériaux plus performants ou multifonctionnels : la santé (biomatériaux), les sports et loisirs, l'emballage ... Ces secteurs ont, par ailleurs, un impact important en matière de diffusion des innovations auprès du grand public (sports et loisirs).

Acteurs

Disciplines scientifiques : chimie physique, chimie du solide, materiaux, physique théorique, optique, physique des constituants élémentaires, physique des milieux dilués, physique des milieux denses, mecanique, génie des matériaux, psychologie, sociologie.

Compétences technologiques : semi-conducteurs, optique, analyse, mesure et contrôle, chimie macromoléculaire, chimie de base, traitements surface, matériaux - métallurgie, procédés techniques, travail matériaux, procédés thermiques, composants mécaniques, transports, spatial - armement, BTP.

Pôles de compétitivité : Industries et agroRessources (Champagne-Ardenne, Picardie), Plasturgie (Rhône-Alpes, Franche-Comté), Techtera (Rhône-Alpes), Up-Tex (Nord-pas-de-Calais), Mipi (Lorraine), Chimie-environnement Lyon (Rhône-Alpes),

Liens avec (technologies) : technologies physiques amont améliorées de traitement de l'eau, Systèmes d'enveloppe de bâtiment, textiles techniques et fonctionnels, architecture et matériaux pour l'allégement des véhicules, sécurité passive des véhicules, turbomachines, acoustique des véhicules, interfaces humain-machine, matériaux nanostructurés et nanocomposites, biotechnologies industrielles, recyclage des matériaux spécifiques, assemblage multimatériaux, nouveaux procédés de traitement de surface, procédés de mise en forme de matériaux innovants, méthodes et outils de coconception.

Principaux acteurs français : l'offre française est importante tant du point de vue des industriels que des centres de ressources.

centres de compétences : une description détaillée de cette offre est disponible via le « répertoire des matériaux avancés » édité par le ministère chargé de l'Industrie, et accessible en ligne : www.industrie.gouv.fr/observat/innov/materiau/so_mate.htm

Industriels : Arcelor, Arkema, Imerys, Lafarge, Rhodia, Saint-Gobain ...

Commentaires

Le développement de matériaux aux fonctionnalités multiples encourage la commercialisation de produits à plus forte valeur ajoutée dans de nombreuses industries. Cet axe technologique constitue donc un levier important pour le maintien et le renforcement de la compétitivité de ces industries.

La Commission européenne identifie ainsi les progrès sur les connaissances des matériaux comme une des activités à développer dans le cadre des travaux du 7^e PCRDT. La conception de « matériaux fondés sur la connaissance dotés de propriétés sur mesure » est notamment souhaitée.

Le développement de ces matériaux sur mesure est largement conditionné par la demande, et donc par de nouvelles applications et de nouveaux marchés. Ce développement pourrait ainsi être encouragé en facilitant les démonstrations technologiques et la diffusion des innovations auprès des industriels et du grand public.

© Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie,
Direction Générale des Entreprises, 12/2006