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Quand les fibres endommagées changent de couleur

Sur le fil coloré

5 janv. 2021 | CORNELIA ZOGG

Les fibres hautes performances qui ont été exposées à des températures élevées perdent généralement leurs propriétés mécaniques sans être détectées et, dans le pire des cas, peuvent se déchirer précisément lorsque des vies en dépendent. Les chercheurs de l'Empa ont maintenant développé un revêtement qui change de couleur lorsqu'il est exposé à des températures élevées par frottement ou par le feu.

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Les cordes sont utilisées pour la sécurité dans divers domaines, dans les opérations de pompiers et de sauvetage ainsi que sur les chantiers et en alpinisme. Image: iStock

Le pompier court dans le bâtiment en feu et recherche systématiquement, pièce par pièce, les personnes qui ont besoin d'être secourues. Une corde de sécurité lui est attachée et à l'autre extrémité ses collègues attendent dehors, devant le bâtiment. En cas d'urgence - s'il perd conscience pour une raison quelconque - ils peuvent le tirer hors du bâtiment ou le suivre dans le bâtiment pour le sauver. Cependant, si cette corde a été exposée à une chaleur excessive lors d'opérations précédentes, elle peut se rompre. Cela signifie un danger pour la vie du pompier ! Et jusqu'à présent, il n'y avait aucun moyen de remarquer ces dégâts sur la corde. Une équipe de chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich a mis au point un revêtement qui change de couleur lors d'réaction physique avec la chaleur, indiquant ainsi clairement si une corde continuera à l'avenir à offrir la sécurité qu'elle promet.

Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Empa ont développé en 2018, dans le cadre d'un travail de master, un système de revêtement que l'équipe de l'Empa a pu appliquer aux fibres. "C'était un processus en plusieurs étapes", explique Dirk Hegemann, du département "Advances Fibers" de l'Empa. Les premiers revêtements ne fonctionnaient que sur des surfaces lisses, il a donc fallu d'abord adapter la méthode pour qu'elle fonctionne également sur des surfaces courbes. L'Empa dispose d'un vaste savoir-faire dans le domaine du revêtement des fibres - Dirk Hegemann et son équipe ont déjà développé des fibres électriquement conductrices dans le passé (voir liens). Le procédé dit de pulvérisation cathodique a maintenant été appliqué avec succès au dernier revêtement.

Des couches très fines et très efficaces
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Le filament de polyester enduit avant (droit) et après l'essai thermique à 150 degrés (à gauche). Le changement de couleur du bleu au blanc est clairement visible et la sécurité du produit n'est plus garantie. Image: Empa

Trois couches sont nécessaires pour garantir que la fibre change réellement de couleur lorsqu'elle est chauffée. Les chercheurs appliquent l'argent à la fibre elle-même, dans le cas du projet de recherche PET (c'est-à-dire le polyester) et VectranTM, une fibre de haute technologie. Celle-ci sert de réflecteur, c'est-à-dire de couche de base métallique. Elle est suivie d'une couche intermédiaire d'oxyde d'azote de titane, qui assure la stabilité de l'argent. Et ce n'est qu'ensuite que suit la couche amorphe qui provoque le changement de couleur : le tellure germanium-antimoine (GST), qui ne fait que 20 nanomètres d'épaisseur. Lorsque cette couche est exposée à des températures élevées, elle cristallise et change de couleur, passant du bleu au blanc. Le changement de couleur est basé sur un phénomène physique connu sous le nom d'interférence. Deux ondes différentes (par exemple la lumière) se rencontrent et s'amplifient ou s'affaiblissent mutuellement. En fonction de la composition chimique de la couche sensible à la température, ce changement de couleur peut être ajusté à une plage de température comprise entre 100 et 400 degrés et ainsi adapté aux propriétés mécaniques du type de fibre.

Des solutions sur mesure

Les domaines d'application possibles des fibres à couleur changeante sont encore ouverts, et Dirk Hegemann est actuellement à la recherche de partenaires de projet possibles. En plus des équipements de sécurité pour les pompiers ou les alpinistes, les fibres peuvent également être utilisées pour les cordes de charge dans les installations de production, sur les chantiers, etc. En tout cas, les recherches sur le sujet sont loin d'être terminées. À l'heure actuelle, il n'est pas encore possible de stocker les fibres pendant de longues périodes sans perdre leur fonctionnalité. "Malheureusement, les matériaux à changement de phase s'oxydent en quelques mois", dit Dirk Hegemann. Cela signifie que le changement de phase correspondant - la cristallisation - n'a plus lieu, même en cas de chaleur, et que la corde perd ainsi son "signal d'alarme". En tout cas, il a été prouvé que le principe fonctionne, et la durabilité est un sujet de recherche futur, dit Dirk Hegemann. "Dès que les premiers partenaires de l'industrie auront manifesté leur intérêt pour nos propres produits, les fibres pourront être optimisées davantage en fonction de leurs besoins".

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