Matériaux textiles fonctionnels et intelligents

Alliages à mémoire de forme (AMF)

Rappel

Les caractéristiques des AMF proviennent du fait qu'ils ont deux phases cristallographiques, appelées par analogie aux aciers, phase martensitique (structure cristallographique métastable hexagonale hybride) et phase austénitique (structure cristallographique cubique face centrée). Le passage d'une phase à une autre se fait soit par changement de température, soit par application d'une contrainte. L'intérêt des AMF est que la transformation de phase est displacive[1] et non diffusive (pas de changement de la composition chimique). Il y a très peu de déplacement d'atomes. La transformation se fait à volume constant et est réversible.

Remarque

Outre leurs effets mémoire de forme, les AMF sont une famille de matériaux ayant d'autres propriétés intéressantes liées à leur superélasticité. Un AMF est capable de se déformer énormément (jusqu'à 8 à 10 %) de manière réversible sous l'effet d'une contrainte alors que les métaux traditionnels ont un allongement élastique limite inférieur à 1 %. Cet effet en fait donc un matériau amortissant (par nature et non par la structure). L'alliage est capable, par exemple, d'amortir des chocs ou d'atténuer des vibrations mécaniques.

Dans les domaines liés aux textiles, les AMF sont utilisés pour leurs effets amortissants en chapellerie et en corsetterie. Ces armatures métalliques superplastiques (donc très flexibles) maintiennent les produits et peuvent être pliés sans dommage.

Pour ces AMF, nous distinguons deux "degrés d'intelligence" :

  • L'effet mémoire dit simple sens : l'alliage est capable de retrouver par chauffage sa forme initiale après une déformation mécanique plastique, ce qui n'est pas le cas des alliages classiques ;

  • L'effet mémoire double sens : l'alliage est capable après "éducation" d'avoir deux positions stables, l'une au-dessus d'une température dite critique et l'autre en dessous ;

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Bon nombre d'alliages métalliques présentent des propriétés "mémoire de forme" mais les plus utilisés, et les plus connus, sont les alliages nickel-titane (NiTi) appelés nitinol. Cet alliage, en plus de ses propriétés mémoire de forme et d'amortissement est aussi résistant à la corrosion et biocompatible. De plus la composition de l'alliage (ratio Ni/Ti) permet d'adapter la température de transformation d'environ -100°C à +100°C.

Mise en œuvre

L'inclusion d'alliage à mémoire de forme dans les textiles est aisée puisque ces métaux sont très souvent produits sous forme de fil de section allant de 200 µm jusqu'à quelques millimètres.

Les fils AMF peuvent être facilement inclus, à la main, dans des feutres épais ou cousus (potentiellement à la machine) sur toute sorte de textile (nontissés[2], tricots[3], tissus[4]). Il s'agit alors « d'assemblage » textile-AMF.

Cependant, le tissage[4] peut permettre une réelle intégration des AMF au cœur des textiles. Les tissus[4] produits ont des propriétés "mémoire de forme" intrinsèques.

Les AMF sont « activés » par la température (stimulus direct), on peut donc profiter d'une hausse de la température ambiante ou souffler de l'air chaud pour déclencher l'effet mémoire de forme. L'élévation de température peut être apportée par la circulation d'un courant électrique dans l'AMF pour provoquer son échauffement par effet Joule (stimulus indirect).

Fondamental

Il ne faut pas perdre de vue le fait qu'il faut « éduquer » l'alliage pour que sa réponse soit adaptée au besoin final. Cette phase d'apprentissage peut se réaliser avant ou après inclusion sur, ou dans, le textile. Si elle a lieu avant, il faudra veiller à ce que l'inclusion au textile conserve le sens prévu de la future action (assez problématique pour les méthodes de mise en œuvre textile). Si elle a lieu après, il faudra veiller à ce que le textile ne soit pas détérioré par les montées en températures successives nécessaires pour une éducation correcte.

Applications de l'effet mémoire de forme des AMF

Les applications les plus immédiates se trouvent dans le domaine de la mode et du design. Il est assez aisé de réaliser des textiles dont certaines parties se déploient ou se contractent à la demande. Nous pouvons citer en exemple les « moving textiles » de Marielle Leenders où les AMF sont tissés[4] ou inclus dans des tricots[3] pour réaliser des T-shirts dont la longueur peut varier ou des textiles capables de s'enrouler sur eux-même. Le laboratoire XSLabs a lui travaillé sur l'inclusion de fil AMF dans des feutres pour réaliser des formes rappelant des fleurs qui s'ouvrent ou se ferment en fonction de divers stimuli reçus par une carte électronique.

Les applications hors mode et design sont assez rares. Néanmoins, nous pouvons citer le développement d'une structure textile « anti chaleur » par le DCTA (Defence Clothing & Textiles Agency) à la fin des années 1990. Pour réaliser cette structure, des "ressorts" AMF sont placés entre deux textiles (résistants à la chaleur). En position initiale (froide), les ressorts sont plats. Lorsque la température augmente, les ressorts se déploient et gonflent la structure. L'air étant un très bon isolant, la structure déployée offre une meilleure protection thermique que la structure non déployée.

  1. Displacive

    Faible déplacement d'atomes non diffusif.

  2. nontissé

    Textile manufacturé, constitué de voile ou de nappe de fibres orientées dans une direction particulière ou au hasard, liées par friction et/ou cohésion et/ou adhésion, à l'exclusion du papier.

  3. tricot, tricoté

    Textile souvent extensible à boucles entrelacées qui peut aussi se qualifier sous le terme maille

  4. tissage, tissé, tissu

    Procédé permettant de fabriquer des tissus. Un tissu est le résultat de l'entrecroisement, dans un même plan, de fils disposés dans le sens de la chaîne et de fils disposés, perpendiculairement aux fils de chaîne, dans le sens de la trame. Le liage obtenu entre ces fils de chaîne et trame se définit par une armure.

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