- Matériaux
Introduction
Quand on parle de « vieillissement », on pense souvent aux rides sur un visage, à la fatigue accumulée ou à l’usure d’un jean préféré. Mais dans l’industrie automobile — et dans bien d’autres secteurs — le vieillissement est une donnée cruciale pour les matériaux. Les plastiques renforcés de fibres, qu’elles soient végétales comme le chanvre ou minérales comme le verre, promettent légèreté et performance. Ils permettent de réduire le poids des véhicules et donc leur consommation. Mais sous l’effet du temps, de l’eau et de la chaleur, ces matériaux peuvent perdre leurs super pouvoirs. Quentin Bourgogne, expert UNYS, Maître de Conférence à l’Université de Lorraine et chercheur en mécanique des matériaux au LEM3*, travaille sur la durabilité des composites, et résume bien l’enjeu : Comprendre comment et pourquoi un composite perd ses propriétés avec le temps, c’est permettre aux ingénieurs de concevoir des pièces plus fiables et plus durables.
Mesurer la capacité de matériaux alternatifs pour les véhicules de demain…
Le chanvre, par exemple, est une fibre végétale séduisante pour remplacer une partie du plastique dans les pièces automobiles. Légère, renouvelable, produite localement, elle a tout pour plaire… sauf sa grande soif. Avec le temps, l’humidité s’infiltre et la rigidité s’effondre. Après dix ans à l’air libre, un composite polypropylène–chanvre peut perdre jusqu’à 30 % de rigidité côté fibre, au point de se comporter comme un plastique pur et neuf.
On a observé un phénomène de “sorption critique”
explique Quentin Bourgogne. Au-delà d’un certain taux d’eau dans la fibre, l’effet de renfort disparaît. Ce n’est pas juste un collage qui se défait, c’est la fibre elle-même qui se dégrade.
Et reculer la fin de vie des plastiques hautes performances utilisés
À l’autre extrémité du spectre, on trouve le PPS (polyphénylène sulfure) renforcé de fibres de verre, roi des pièces « sous capot » : pompes à eau, boîtiers de thermostat… Là, la menace n’est pas l’eau de pluie mais le bain permanent dans un liquide de refroidissement chaud, parfois à plus de 90 °C. Dans ces conditions, la matrice plastique pure se rigidifie avec le temps. Mais le composite, lui, perd de ses forces. Pourquoi ? Parce que l’interface entre fibres et plastique, ce lien invisible qui fait la solidité, se fragilise. Le vieillissement dans le liquide de refroidissement divise par deux la résistance de cette interface
souligne le chercheur. Et quand cette jonction cède, les fibres ne peuvent plus jouer leur rôle de squelette porteur.
Les essais montrent aussi que la température influe énormément : au-delà de 90 °C, le PPS passe un cap critique — sa transition vitreuse — et sa résistance chute rapidement. L’orientation des fibres joue, elle, un rôle décisif. Alignées dans le sens de l’effort, elles offrent un maximum de rigidité… mais sont aussi plus sensibles à la dégradation. Désalignées, elles protègent mieux la matrice, cependant au prix d’une perte globale de performances. On ne peut pas juste dire “plus de fibres, c’est mieux, précise Quentin Bourgogne. Il faut penser leur disposition, l’environnement d’usage et le vieillissement.
Des modèles mathématiques pour prévoir l’avenir…
Pour anticiper cette usure invisible, l’équipe a développé des modèles mathématiques capables de prédire comment un composite se comportera après des années d’exposition. Ces simulations tiennent compte de la température, de l’humidité, et même de l’auto-échauffement en usage répété.
Après une longue période d’utilisation, les pièces peuvent s’échauffer toutes seules sous l’effet des cycles mécaniques. Et si elles sont humides, cet échauffement est amplifié. Résultat : une baisse accélérée de la durée de vie. Grâce aux modèles, les ingénieurs peuvent désormais estimer la résistance future d’une pièce sans attendre des années de tests.
Et des tests mécaniques accélérés pour simuler le vieillissement
Pour comprendre comment un matériau vieillit, il ne suffit pas de le regarder au microscope après coup. Les recherches de Quentin Bourgogne combinent plusieurs approches, comme une véritable enquête policière. D’abord, des protocoles de vieillissement accéléré : on place les échantillons dans des conditions extrêmes — chaleur, humidité, immersion prolongée — pour reproduire en quelques semaines ce qui se passerait en plusieurs années sur la route. On joue avec la température, l’humidité et les cycles mécaniques pour accélérer l’usure et observer les mécanismes à l’œuvre
explique le chercheur. Ensuite, vient la batterie de tests mécaniques. Les échantillons sont étirés, comprimés ou pliés pour mesurer leur rigidité, leur résistance ou leur capacité à se déformer avant de rompre. Les mesures sont ultra-précises : la moindre variation dans le module de Young (qui mesure la rigidité d’un matériau : il relie la force appliquée à la déformation, comme quand on tire sur un ressort ou qu’on plie une règle, plus il est grand plus le matériau est difficile à déformer) ou la contrainte à rupture est scrutée. Enfin, l’analyse microscopique et spectroscopique permet de remonter à la source du problème. Sous le microscope électronique à balayage, les surfaces de fracture révèlent si les fibres se sont décollées, cassées ou dissoutes. La spectroscopie infrarouge, elle, détecte les traces chimiques laissées par la dégradation, comme les hémicelluloses libérées par le chanvre. C’est ce croisement entre vieillissement simulé, tests mécaniques et observation fine qui permet de reconstituer toute l’histoire du matériau, du premier choc thermique jusqu’à la fissure finale.
Et demain ?
Ces travaux ouvrent la voie à une conception plus intelligente des matériaux composites. Choisir la bonne fibre, la bonne orientation, anticiper l’environnement réel d’utilisation… tout cela permet de prolonger la durée de vie des pièces et de limiter le gaspillage de ressources.
Pour Quentin Bourgogne, l’objectif est clair : On ne se contente pas de mesurer la fin de vie des matériaux, on veut la reculer.
Dans un monde où nos voitures, nos appareils et nos infrastructures doivent durer plus longtemps pour préserver la planète, comprendre la « vie intérieure » des matériaux n’est plus un luxe : c’est une nécessité.
La prochaine fois que vous entendrez le ventilateur de votre voiture se déclencher ou que vous changerez une pièce plastique, pensez-y : derrière chaque élément se cache une science complexe qui mêle chimie, mécanique et un peu de patience… dix ans parfois, pour voir comment il vieillit. Et peut-être qu’un jour, grâce à ces recherches, vos pièces auto vieilliront mieux que votre smartphone.
*LEM3 : Laboratoire d’Étude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (CNRS- Université de Lorraine- Arts et Métiers)
Sources
Bourgogne, Q. Automobile : et s’il y avait un peu de chanvre dans l’habitacle et un peu de lin dans votre moteur ?
Bourgogne, Q. C. P., Abida, M., Perroud, O. & Bouchart, V. Influence of different long and short ageing protocols on the mechanical behaviour and damage mechanisms of a hemp fibre reinforced polypropylene. Next Materials 4, 100096 (2024).
Bourgogne, Q. C. Influence of fibre curvature and orientation on the mechanical properties of injected irregular short hemp fibres reinforced polypropylene. Journal of Thermoplastic Composite Materials 37, 2963–2986 (2024).
Bourgogne, Q. C. P., Bouchart, V., Chevrier, P. & Dattoli, E. Influence of temperature and cooling liquid immersion on the mechanical behavior of a PPS composite: experimental study and constitutive equations. SN Appl. Sci. 2, 368 (2020).
de Lorraine, U., de Lorraine, U., ParisTech, E. & Ader, I. C. M. Pierre CHEVRIER Mme Vanessa BOUCHART Mme Fabienne TOUCHARD M. Xavier COLIN M. Jean-Luc BOUVARD Mme Marie-Laetitia PASTOR M. Emmanuel DATTOLI.
Bourgogne, Q. C. P., Bouchart, V., Chevrier, P. & Dattoli, E. Numerical investigation of the fiber/matrix inter-phase damage of a PPS composite considering temperature and cooling liquid ageing. SN Appl. Sci. 3, 132 (2021).
Bourgogne, Q. C. P., Bouchart, V. & Chevrier, P. Prediction of the Wöhler curves of short fibre reinforced composites considering temperature and water absorption. Materials Today Communications 33, 104655 (2022).