Définition

Les chercheurs désignent les matériaux intelligents ceux ayant la capacité de répondre régulièrement aux stimuli externes. Bien qu’un morceau de marbre ne soit pas affecté lorsque vous le touchez, un matériau intelligent détectera et enregistrera cette touche, puis y répondra en fonction du type de réponse que le matériau a été conçu pour agir. Nous pouvons considérer le quotient intellectuel d’une substance comme la quantité de discipline dans sa réponse aux facteurs de stress environnants. Ainsi, une substance qui peut ressentir de très légers changements dans son environnement et montrer une réponse claire en conséquence est une substance plus intelligente que les autres. Cependant, l’étape de réponse suit l’étape de « l’acclimatation », qui est la caractéristique dont le matériau devient d’importance industrielle pour lui. Nous, humains, voulons cette réponse conçue pour rétablir l’équilibre à la lumière du changement, au service de notre confort. Le matériau intelligent peut être affecté par la pression, la tension, la température, la friction ou le champ électromagnétique. Le matériau détecte ces facteurs et d’autres lorsque son intensité atteint un certain point, nous l’appelons seuil, et il commence à réagir sous la forme d’une couleur, d’un changement dans sa structure, sa forme, sa résistance électrique ou autre. Selon cette séquence, le matériau intelligent est impliqué dans la fabrication de systèmes adaptatifs, qui se composent de trois axes principaux. Tout d’abord, nous trouvons le capteur qui détecte la variable et mesuré son intensité, puis l’actionneur, qui modifie le système mécaniquement – c’est-à-dire qu’il provoque un mouvement – en fonction de l’intensité du changement, puis enfin nous trouvons un contrôleur qui reçoit des informations du capteur et des commandes La réponse de l’opérateur, qui est le cerveau du système.

Les phases de la conception des matériaux intelligents

Une fois les propriétés identifiées, on doit ensuite penser aux matières premières comme on doit ne pas oublier de mentionner la fin du cycle de vie de ce matériau. Mais avant toute réalisation, il est nécessaire d’établir, de prime abord, des modélisations appuyées par des simulations numériques. Après cette étape, on passe aux procédés de fabrication tels que la synthèse chimique, le mode de cuisson et éventuellement l’usage d’additifs. Une fois toutes ces tâches accomplies, on procède à la fabrication d’un prototype qui doit être soumis à des vérifications rigoureuses avant tout lancement dans la fabrication en série. Enfin, avant d’être écoulé sur le marché, ce dispositif doit être conforme aux trois « R » : réduire, réutiliser, recycler. Pour revenir au concept de matériau intelligent disons que l’appellation n’est ni fortuite ni exagérée puisque le comportement de ces matériaux est similaire à un certain nombre de traits du comportement de l’homme (sensibilité +réactivité + adaptation) c’est la raison pour laquelle on dit que le marbre n’est pas « intelligent » puisqu’il ne peut ni détecter l’impact d’une touche, ni à plus forte raison, l’enregistrer. Donc, quand un matériau est affecté par une pression, une tension, une quelconque température, une friction ou un champ électromagnétique on dit alors qu’il est tout simplement intelligent. Pour davantage apprécier l’efficacité du matériau intelligent, voici une énumération de ses propriétés : Le matériau intelligent est d’abord versatile et peut s’adapter à son environnement quand il atteint un certain seuil pour finalement réagir selon les sollicitations et les stimuli en présence. Cette réaction devient manifeste lorsque le matériau change de couleur, de structure, de forme ou passe d’une résistance à une autre. Donc la finalité de l’intégration d’un matériau intelligent dans un dispositif de surveillance obéit aux critères suivants : un capteur qui détecte les excitations et se charge de les mesurer, un actionneur qui a pour rôle de modifier le système mécaniquement et un contrôleur qui gère les informations émanant du capteur et des commandes.

Dispositifs piézoélectriques

Les dispositifs piézoélectriques ont pour rôle essentiel la dissipation d’énergie, laquelle est générée par la déformation de pastilles. L’objectif étant la réduction des vibrations de la structure. Toutefois cet objectif ne peut être réalisé sans la mise en valeur du couplage entre mode de vibration et circuit électrique. Cette procédure est déterminante pour la réduction des vibrations. En provoquant l’écoulement de charges dans un matériau piézoélectrique collé à une structure, il est possible d’extraire de petites puissances (du micro ou milliwatt). Ces dispositifs singulièrement rentables se démarquent des autres systèmes parce qu’ils sont versatiles et cette versatilité s’avère très utile étant donné que ces systèmes peuvent mettre à contribution des capteurs, des transducteurs pour la récupération d’énergie mécanique et thermique.

Des efforts actuels tendent à miniaturiser ces dispositifs pour les rendre moins encombrants et plus efficients. Cette miniaturisation implique ce qu’on appelle l’usinage qui se base sur des méthodes éclectiques. En ce qui concerne l’actionnement, rappelons qu’il en existe différents genres ; à savoir l’actionnement électrostatique (et c’est ce qui nous intéresse ici), l’actionnement thermique et l’actionnement par matériaux actifs. Le développement des capteurs et actionneurs ont permis l’émergence de dispositifs autoalimentés donc autonomes. La portée de cette autonomie est appréciable au niveau de la fiabilité, de la portabilité (systèmes embarqués). Autre avantage non moins important, on peut maintenant procéder à l’installation de dispositifs dans des lieux qui autrefois paraissaient inaccessibles. Rappelons encore une fois que la spécificité des dispositifs piézoélectriques est qu’ils contiennent des matériaux qui sont déformables à l’envi et cette déformation génère des effets très bénéfiques (l’effet direct et l’effet inverse). Les matériaux piézoélectriques ont l’avantage de coupler fortement les grandeurs mécaniques et électriques [28]

Systèmes de contrôle et matériaux intelligents

Depuis la mise à contribution des matériaux intelligents, les systèmes de contrôle (actif, passif semi -actif et hybride) ne cessent de susciter l’engouement des capitaines de l’industrie et des experts en génie civil. La raison étant surtout que ces systèmes ont des propriétés très intéressantes telles que l’amortissement et la dissipation d’énergie et sont, en plus de cela, ponctuellement fiables et très performants. Bien que les matériaux intelligents soient assez nombreux, on doit cependant accorder la primauté aux matériaux piézoélectriques pour concevoir aisément des capteurs et des actionneurs à toute fin utile. Sans actionneur ni capteur, le système est tout simplement de la ferraille. La ductilité de ces matériaux est telle qu’elle peut entraîner une modification spontanée de leurs propriétés physiques, de leur viscosité et de leur connectivité. Ces propriétés sont à même de répondre, avec une certaine vélocité, aux excitations naturelles ou factices telles que les variations de température ou, en sus les contraintes mécaniques. En un mot, ils sont parfaitement adaptés au contrôle des vibrations et ceci est l’essentiel. Rappelons quand même, qu’avant l’avènement desdits matériaux, on se contentait du contreventement, pour consolider la rigidité des édifices. Aujourd’hui cette technique semble bien révolue, grâce aux méthodes innovantes qui ont supplanté des systèmes pas assez fiables et un tantinet performant. Une énumération des solutions alternatives qui prennent en compte les concepts d’amortissement et d’actionnement est donc nécessaire. Voici un extrait qui met en évidence les atouts et les inconvénients de chaque système :

•le contrôle actif peut difficilement être envisagé comme une solution fiable de protection parasismique des bâtiments en raison de la quantité de puissance nécessaire pour le fonctionnement des actionneurs et des risques de perdre la puissance lors d’un séisme majeur. Donc il faut mettre l’accent sur le rapport coût/performance des dispositifs : Tout ce qui brille n’est pas or. [1]

•Le système semi-actif n’exige pas une consommation accrue d’énergie comme l’exige le système actif, d’autant plus que l’énergie peut être stockée séparément dans une batterie et cet avantage assure l’indépendance du système dit semi-actif. Quant au système actif, il est non seulement excessivement coûteux mais aussi très vulnérable, puisqu’il est la plupart du temps sujet à des pannes électriques (power failure) autrement dit ce système connait beaucoup de couacs lors de son exploitation et c’est bien la raison pour laquelle la communauté des ingénieurs du génie civil ne lui accorde pas une importance soutenue. [1]

•Le système de contrôle passif n’est pas très coûteux d’une part et d’autre part il est susceptible de réduire les vibrations de la structure par absorption et dissipation de l’énergie. Cependant, l’efficacité d’u tel système dépend de l’ajustement des paramètres afin de répondre de façon appropriée aux différentes sollicitations attendues (comportement structural et mouvement d’entrée) [1]