Lettre mineralinfo : les nouveaux métaux

LES ENJEUX DES NOUVEAUX MATERIAUX METALLIQUES

Par Christian Hocquard ; BRGM

Le spatial, l’aéronautique, l’automobile et désormais les NTIC ont provoqué une véritable révolution industrielle, celle des nouveaux matériaux. Il s’en crée chaque jour de nouveaux, et plusieurs dizaines de milliers de ces matériaux sont ainsi répertoriés . Dans cette compétition impitoyable, les anciens matériaux, en particulier métalliques, répondent également par de fortes innovations. Mais des menaces, notamment économiques (déséquilibre entre l’offre et la demande) et environnementales (problèmes de recyclage) pèsent sur ce secteur et représentent un défi majeur à relever.

Les matériaux sont à la base de la plupart des grandes révolutions industrielles l'acier pour le chemin de fer, le cuivre pour l'électricité, l'aluminium pour les avions, les plastiques et polymères pour les biens de consommation d'après guerre,

le silicium et les semi-conducteurs pour la société NTIC actuelle (Nouvelles Technologies de l'Information et de la Communication).

La séparation entre les matériaux "traditionnels" (métaux/alliages, céramiques et poly¬ mères) et les "nouveaux" matériaux (composites, hybrides, nano-matériaux) apparaît de plus en plus artificielle, tant la palette des matériaux disponibles est aujourd'hui extrêmement variée. Au point que l'industrie évolue dans un contexte multimatériaux de plus en plus sophistiqué, où compétition et substitution sont la règle, avec comme seul leitmotiv: le bon matériau à la bonne place.

Tous ces matériaux sont des géoproduits. Ils sont issus de l'extraction ou du recyclage de ressources minérales. C'est le cas des matériaux métalliques (métaux et alliages), des céramiques (fabriquées à partir de minéraux industriels comme la silice, les argiles et le zircon), et des polymères (issus de gisements carbonés fossiles et élaborés grâce à des catalyseurs métalliques).

Par ailleurs, un matériau n'a d'avenir que si on sait en faire une pièce. De ce fait, la mise au point de nouveaux procédés de mise en oeuvre est indispensable pour l'élaboration des matériaux avancés. Ces nouveaux procédés concernent la métallurgie des poudres, l'hydroformage, le thixomoulage, les revêtements par projections plasmas, l'élaboration de mousses métalliques ou céramiques, de textiles métalliques, d'alliages à dispersions d'oxydes, etc. Dans le même esprit, le développement de nouvelles structures et techniques d'assemblages (nids d'abeille, stratifiés sandwich, etc.) permet d'améliorer considérablement leurs propriétés mécaniques.

L’apparition des nouveaux matériaux se réalise selon une séquence maintenant classique : au fur et à mesure que leurs prix baissent, les nouveaux matériaux, d'abord limités au secteur aérospatial, se répandent ensuite dans l'automobile, avant d'envahir les produits de consommation courante. Ainsi, les composites envahissent actuellement l'aéronautique au détriment de l'aluminium, tandis que ce dernier colonise l'automobile en substitut de l'acier.

► Les matériaux composites combinent solidité et légèreté,et en cela apportent une vraie révolution par rapport aux autres matériaux. Ils comprennent une matrice (métallique, céramique, résine polymère)dans laquelle sont incorporées des fibres de renforcement (verre, kevlar, carbone, voire des minéraux silicatés fibreux). Ces fibres peuvent être dispersées, tressées, tréfilées, orientées.
Les métaux participent également à cette révolution pour former le groupe des composites à matrices métalliques (MMC). II s'agit d'alliages métalliques renforcés par des fibres de verre ou de carbone dont l'utilisation est encore restreinte au domaine aérospatial. Ainsi le nouvel A380 d’Airbus comprendra 22 % en poids de "Glare", un MMC à base d'aluminium renforcé de fibres de verre,tandis que la part des composites dans le futur 7E7 "Dreamliner" de Boeing devrait passer à 50 % contre 10 % dans le 777.

► Les céramiques ont le paradoxe d'être l'un des matériaux les plus anciens, tout en participant aux technologies d'avant-garde grâce à leurs remarquables propriétés. A côté des céramiques dites techniques,comme les biocéramiques ou vitrocéramiques, on voit apparaître des composites à matrices céramiques (CMC).

► L’avènement des nanomatériaux a été rendu possible grâce au microscope à effet de force atomique découvert en 1986 qui permet de manipuler les atomes et d'élaborer des structures artificielles à l'échelle moléculaire. Aujourd'hui, tous les domaines scientifiques et technologiques sont concernés. On envisage même des alliages métalliques incorporant des nano-tubes de carbone, ouvrant la porte à des "nanomatériaux hybrides artificiels", assemblages que l'on peut qualifier de chimères.

Les performances physico-chimiques et mécaniques ne sont plus les seuls critères de choix des matériaux. De nouvelles exigences apparaissent comme le toucher, les aspects de surface, le renforcement des contraintes liées à la sécurité, la résistance à des températures élevées,..., autant de facteurs qui modifient les approches classiques lors de la conception de produits. Devant le large éventail de solutions techniques disponibles, le choix du matériau se fera finalement sur la base d'un compromis entre sa durée de vie en service, son coût matière et son aptitude à être mis en oeuvre, tandis que son recyclage ne semble pas encore un aspect déterminant.

Les nouveaux matériaux métalliques

Le guide mondial des alliages recense plus de 18 000 désignations avec notamment des alliages intermétalliques ainsi que des matériaux avancés adaptatifs dits "intelligents" ("smart materials"), comme les alliages à mémoire de forme, les alliages amorphes (verres métalliques), les alliages superplastiques, ou les quasi-cristaux. Une grande partie de ces nouveaux alliages incorporent des métaux "high-tech" (fig. i), qui deviennent ainsi de plus en plus stratégiques pour les pays développés.

Le développement rapide des matériaux légers (alliages à base d’aluminium, de magnésium et de titane) dans la filière transport est lié aux nouvelles directives environnementales notamment les émissions de gaz à effet de serre (GES). Ces émissions étant liées à la consommation de carburant, et cette dernière au poids des véhicules, c’est naturellement vers une réduction massique que s’orientent d’abord les constructeurs automobiles. De plus, la diminution de la taille d’un élément permet à son tour de diminuer la taille des autres éléments, conduisant ainsi à diminuer le poids total du véhicule. C'est pourquoi l'aluminium, le magnésium, les plastiques et les composites se livrent à une féroce compétition contre l'acier, mais aussi entre eux. De ce fait, ils se retrouvent embarqués au sein d'une chaîne de substitution auto¬concurrentielle complexe. Si les substitutions entre matériaux sont la règle, le choix des matériaux diffère selon chaque filière d'utilisation. Ainsi, des alliages de titane très chers,etque l'automobile ne saurait s'offrir, sont utilisés pour alléger un hélicoptère.

► L'acier subit de plein fouet la concurrence des métaux plus légers comme l'aluminium et le magnésium. En réaction, les aciéristes ont mis au point de nouveaux aciers spécifiques et adaptés à chaque fonction, permettant au final un important gain massique. Cette compétition acier-aluminium concerne en priorité la filière automobile, mais la filière des boîtes de boisson est également concernée: la simple décision de Coca-Cola de passer de l'un à l'autre peut avoir un impact considérable sur ces deux filières.

► L’aluminium , métal du XXII siècle, a vu son prix baisser au fur et à mesure de la croissance de sa production. Une voiture européenne comptait 90 kg d'aluminium en 2000, elle en accueillera 125 kg dès 2005 ; les alliages d'aluminium devenant très variés et complexes, mais plus performants.

► Le magnésium entre également en concurrence avec l'aluminium, avec l'avantage d'être un tiers moins dense. Mais le formage de ses alliages est difficile et sa percée dans l'automobile reste encore limitée.

► Le titane, qui combine légèreté et résistance mécanique, est un métal de grande perspective. Toutefois, son prix très élevé le restreint à l’aéronautique ou à des applications de niche comme les implants chirurgicaux. Cette situation pourrait évoluer à long terme avec l’apparition de nouveaux procédés métallurgiques permettant d’obtenir directement le titane métal en s’affranchissant du stade intermédiaire de l’éponge de titane, ouvrant la porte royale de l’énorme marché automobile.

Fig 2 : Quel futur pour les matériaux : écoconception, convergence et dématérialisation ?

Les petits métaux high-tech se classent selon leurs filières d'utilisation : NTIC, catalyse, superalliages, ou autres filières de spécialité. Le développement rapide des NTIC s'est traduit par l'émergence d'une forte demande en métaux high-tech comme le tantale (condensateurs), le gallium et le germanium (composants électroniques hautes fréquences) ou l'indium (écrans plats LCD). II s'agit de métaux produits en très faibles quantités, parfois comme produit principal mais le plus souvent en tant que sous-produits, lors du raffinage des métaux de base.

► Les petits appareils électroniques mobiles (micro¬ordinateurs et téléphones portables, PDA, etc.), sont de plus en plus gourmands en énergie. En dix ans, on a vu émerger quatre générations de batteries: les batteries Ni-Cd remplacées par des batteries Ni-MH, les¬quelles font place aujourd'hui à des batteries Li-ion, lesquelles dès 2005-2006 subiront à leur tour la concurrence des micropiles à combustible au méthanol (DMFC). La rapidité de ces substitutions n'est évidemment pas sans conséquence sur l'économie et la pérennité des filières de recyclage de batteries.

► Le craquage pétrolier, la pétrochimie, ainsi que la synthèse de nombreux produits chimiques dépendent de catalyseurs métalliques variés, qui appartiennent le plus souvent à cette catégorie des petits métaux.

► Quant aux superalliages, ils sont surtout consommés dans les pays développés par deux grandes filières, l'aéronautique et l'automobile. Il s'agit en fait d'intermétalliques complexes qui utilisent un grand nombre de petits métaux spécifiques (nickel, cobalt, tantale, niobium, terres rares), voire l'exotique rhénium (un sous-produit du molybdène, lui-même sous-produit du cuivre) dont la production mondiale ne dépasse pas 40 tonnes. Les quantités de petits métaux utilisés généralement faibles ont cependant un impact très significatif sur le prix final du superalliage. Ainsi, dans le superalliage CMXS -lo, destiné aux aubes de turbines de réacteurs d'avion, 6 % seulement de rhénium représentent environ 80 % du prix du superalliage (Fig. 3). Mais sans rhénium, il n'y aurait pas de gros bimoteurs...

► Les terres rares constituent une large famille avec un vaste éventail d'utilisation. Ainsi la technologie plasma des écrans plats est à base de luminophores, dont chacun est un cocktail spécifique de terres rares. Quant aux aimants permanents, de type NdFeB, ils sont en croissance de zo % par an et se retrouvent dans presque tous les produits NTIC et dans les petits moteurs électriques qui envahissent l'automobile. Dans le même esprit, l'élimination des particules de suie dans les pots d'échappement diesel des derniers modèles du groupe PSA est réalisée grâce à la réaction catalytique du cérium.

Le risque métal pour les filières de haute technologie

Pour les pays développés, le risque métal a évolué rapidement avec la globalisation, les contraintes environnementales, les flux tendus, la dépendance des importations, la volatilité des cours, la concentration des productions, le recyclage insuffisant, etc. De plus en plus, les délocalisations industrielles se traduisent par des importations croissantes de produits finis, lesquelles masquent complètement le risque métal. Ainsi, paradoxalement, plus le risque métal augmente, plus sa perception diminue …

Les risques se situent à deux niveaux : économique avec le prix et environnemental avec le recyclage.

Pour conserver leur avance, les sociétés occidentales sont de plus en plus dépendantes de leurs innovations technologiques, friandes de petits métaux high-tech. Ces derniers, produits en faibles quantités, sont très sensibles à toute hausse rapide de la demande induite par un nouveau produit de consommation massive. Leur production en sous-produits est par essence très inélastique et ne peut répondre à une forte demande. II en résulte un rapide déséquilibre offre/demande qui se traduit par une crise des cours (Fig. 4 et 5).

Une prospective des crises structurelles potentielles peut être esquissée

► A court terme : les crises en cours concernent le sélénium (verres spéciaux), le cobalt (batteries rechargeables NiMH et Li-ion), et surtout l'indium (écrans plats LCD) qui est passé de 70 à 700 USD/kg en un an... Elles pourront demain concerner le germanium (développement de la vision infrarouge et de composants électroniques Si-Ge ("siggy") très haute fréquence pour les applications mobiles Internet et GPS), puis éventuellement le rhénium (la reprise du secteur aéronautique est attendue pour 2006).

► A moyen terme, vers 2010, : les besoins importants pourront concerner le gallium (d’abord pour les lasers "blu-ray" des DVD haute définition, mais aussi et surtout pour la diode à "vraie" lumière blanche, qui contribuera à une considérable économie d'énergie électrique, tout en sonnant le glas des lampes à filament de tungstène). On pense aussi au gadolinium pour le cas où la technologie de là "réfrigération magnétique" verrait le jour.

► A long terme, vers 2020 :on peut envisager de très fortes demandes pour le titane (en cas de succès du nouveau procédé de fabrication en cours de tests) et aussi pour le platine (véhicules à piles à combustible à membrane échangeuse de proton de type PEM).

La miniaturisation des composants et le nombre de métaux high-tech expliquent que le recyclage des pro¬duits NTIC demeure très partiel et restreint aux seuls circuits imprimés qui renferment les métaux précieux. Peut-on encore parler de recyclage alors que tous les autres métaux sont ignorés,et que des plastiques avec retardateurs de flammes polybromés sont incinérés ? Les produits NTIC,dont la durée de vie ne dépasse sou¬vent pas trois ans, sont devenus des consommables à l'image de l'ordinateur qui contient plus de 3o métaux différents. Comment l'industrie va-t-elle intégrer la nouvelle législation sur les D3E (déchets d'équipements électriques et électroniques) qui devait être transposée par les Etats membres avant août 2oo4 et qui prévoit u ne valorisation massique de 75 %,dont lo maximum de valorisation énergétique ? Par ailleurs, le boom des écrans plats va se traduire par une énorme vague de déchets d'écrans cathodiques. Va-t-on se retrouver devant le même défi que pour le recyclage des piles et des batteries rechargeables ? Ces déchets NTIC ont néanmoins une valeur matière résiduelle, obérée par le coût du démontage dans les pays développés, mais économique dans les pays à main-d'oeuvre bon marché. Ainsi, par le simple fait de franchir une frontière, ces "e-waste" changent de statut pour deve¬nir des "matières premières secondaires".

Le recyclage des composites et hybrides est un défi en raison même de leur aspect multimatériaux. L’éco-conception,qui a pour objet de permettre la séparation,avant leur recyclage, des divers matériaux constituant les produits en fin de vie, devrait se trouver rapidement confrontée à la miniaturisation croissante des composants. Le recyclage deviendra un problème sociétal plus critique encore lorsque des nanoproduits à base de nanomatériaux hybrides artificiellement conçus envahiront littérale¬ment tout notre environnement. Pour les nouveaux matériaux, la science fiction est déjà pour demain.

Par ailleurs, les métaux secondaires (c'est à dire issus du recyclage) sont souvent de moindre qualité que le métal primaire, ce qui affecte la valeur du recyclé et donc l'économie même du recyclage. On voit dès lors combien le recyclage des nouveaux matériaux est une préoccupation à la fois économique, énergétique et sociétale majeure, qui devrait faire l'objet d'une complète reconsidération stratégique.

Le domaine complexe des matériaux s'inscrit dans un contexte où compétition et substitution sont la règle. Dans le contexte actuel de compétition globale et de désindustrialisation rampante, ce sont les nouveaux matériaux nés dans les laboratoires qui permettent aux pays développés de conserver leur avance technologique. Ce sont justement ces menaces qui ont contraint les matériaux métalliques à réagir et à évoluer de manière extraordinairement dynamique. Les métaux participent pleinement à ce challenge, à travers des "matériaux avancés à spécialisation extrême" destinés à des applications de niche étroitement liées à la propriété spécifique du matériau considéré. On aura donc encore besoin et pour très longtemps de métaux, certes en quantités moindres mais sous des formes de plus en plus élaborées.

En attendant une dématérialisation incertaine et encore bien éloignée, il faut admettre que l'on consomme toujours davantage de métaux, qui sont de plus en plus importés de manière indirecte à travers les produits manufacturés. De ce fait, la consommation apparente de métaux dans les pays riches parait diminuer, mais elle ne fait que traduire le rythme des délocalisations industrielles vers les pays émergents à faible coût de main-d'œuvre. Ce découplage absolu ne serait-il qu'un indicateur de la désindustrialisation ?

A plus long terme, ces nouveaux matériaux et notamment ceux issus des nanotechnologies,vont contribuer au défi de la dématérialisation, Graal de notre société de consommation boulimique. Dans un lointain futur durable, on peut imaginer des nanohybrides actifs qui intégreront de l'information ("poussières intelligentes" ou "smart dust") deviendront les moteurs d'une véritable dématérialisation, tout en remplaçant le stade actuel de la dispersion multimatériaux par celui de la convergence, inaccessible paradigme des matériaux ?*_

Bibliographie:

W.D. Callister (zoos),"Science et génie de matériaux", Ed. Modulo, Québec, 781 p.
Y. Clain (2001), « La sécurité d'approvisionnement en matières minérales", La lettre de la Direction Générale de l'Energie et des Matières Premières, 1" trimestre 2001, n°15, Minefi, pp.27-33.
M. Colombié (2000), "Matériaux métalliques", Ed. Dunod, 867 p.-Collectif (2003),"The future of manufacturing in Europe 2015-2020, the challenge for sustainability, final report", "http://europa.eu.int/comm/research/industriel technologies/paf/pro-futman-docl-final-report-16-4-03.pdf". Cordis"www.tordis.lu/rtd2002/fp-ctivities/nanotechnologies/htm".
Digitip,"L’industrie française des matériaux composites" : www.industrie.gouv.fr/composites'.-Materials World de IOM3, Institute of Minerals, Metals and Materials :"www.iom3.org".

Les aciéries électriques, qui retraitent surtout les véhicules hors d'usage (VHU), produisent un acier secondaire de plus en plus pollué par le cuivre issu des petits moteurs électriques, toujours plus nombreux dans les automobiles.