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LES « NOUVEAUX MATERIAUX » : UN EFFORT DE GRANDE AMPLEUR ET A LONG TERME Il ne faudrait pas tirer du tableau dressé ci-dessus la conclusion d'un retard du Japon dans le domaine de matériaux nouveaux : l'industrie électronique et électrique en particulier a beaucoup contribué au développement des plastiques techniques dont elle est le deuxième consommateur (après l'automobile) même s'il ne s'agit pas vraiment de substitution, les produits de masse souvent apparus très récemment utilisant dès l'origine des matériaux évolués (ex : 2 kg de plastiques techniques par magnétoscope). Surtout le Japon s'est lancé dans des programmes de recherche
Surtout le Japon s'est lancé dans des programmes de recherche très ambitieux sur les nouveaux matériaux. L'aide publique (plus de 50 milliards de yens répartie sur une dizaine d'années — cf. tableau V) ne représente qu'une petite partie des dépenses engagées par les entreprises privées ; il s'agit d'une orientation véritablement nouvelle de l'industrie japonaise. A l'attitude traditionnelle, techniquement prudente, soucieuse de retombées économiques rapides de la recherche et privilégiant de ce fait le développement — voire la copie — d'idées étrangères, succède une approche à hauts risques économiques qui pourrait aboutir à des bouleversements du marché des matériaux. A
pourrait aboutir à des bouleversements du marché des matériaux. A l'origine de cette rupture : — l'essor prévisible des industries à haute technologie (aéronautique, spatial, nucléaire, offshore, électronique, armement ?...) ouvre à moyen terme un marché déjà notable à ces nouveaux matériaux (cf. tableau VII) même s'ils restent chers ; — à plus long terme, l'abaissement espéré des coûts de fabrication permettrait d'étendre leur emploi en quantités significatives dans des secteurs plus traditionnels mais représentant des volumes considérables (automobile, etc.) ; — la prise de conscience par des entreprises de grandes capacités financières et techniques que leur secteur traditionnel d'activités
grandes capacités financières et techniques que leur secteur traditionnel d'activités est voué au déclin ou à la stagnation et qu'il leur convient d'innover et de se diversifier mais en utilisant au mieux leurs compétences ; c'est le cas notamment des sidérurgistes, des chimistes, des cimentiers et des industriels du textile. Les incertitudes restent cependant considérables : s'il est vraisemblable que la première étape — qui n'implique guère de substitution — d'élaboration de matériaux chers pour usages spéciaux sera atteinte, la seconde (généralisation progressive) suppose une succession de réussites techniques : pour prendre un exemple type, l'emploi de céramiques en quantité
pour prendre un exemple type, l'emploi de céramiques en quantité significative dans les moteurs à combustion interne suppose la faisabilité de réalisation de l'ensemble de la chambre de... TABLEAU V Budget relatif aux matériaux nouveaux dans le cadre du projet R & D « Technologies des industries de base pour la prochaine génération » du MITI Période Budget Thème de recherche (109 Y) Céramiques fines 1981-1990 13 Amélioration de la résilience et de la facilité de mise en forme Polymères à hautes performances 10 Développement de matériaux de haute efficacité - Matériaux pour membranes de séparation Matériaux polymères 5 Atteindre
- Matériaux pour membranes de séparation Matériaux polymères 5 Atteindre la conductivité des métaux conducteurs électriques Matériaux polymères 6 Matériaux légers de structure mécanique hautement cristallisés Alliage à cristallisation contrôlée 1981-1988 8 Industrialisation pour utilisation aéronautique et spatiale Matériaux composites 11 Pour utilisation aéronautique et automobile * D'autres programmes de recherche publics — généralement en cours d'achèvement — ont été consacrés à ce domaine (turbine à gaz à haut rendement en particulier) sous l'égide du MITI et de l'Agence des Sciences et Techniques. TABLEAU VI Estimation du marché japonais des matériaux nouveaux (Source Nihon Keizai Shimbun) (109 yens) 1983 1988
matériaux nouveaux (Source Nihon Keizai Shimbun) (109 yens) 1983 1988 1993 Nouveaux métaux 170 210 256 (Ti, Ba, Be ...) Matériaux pour 49 85 145 semi-conducteurs Plastiques techniques 200 320 390 Céramiques nouvelles 300 800 1 500 Matériaux composites 13 46 130 Fibres de carbone 5 10 30 (Fibres optiques) (16) (170) (1 500) 1 TABLEAU VII Marché japonais des principaux plastiques techniques 1981 1982 Principaux utilisateurs en 1982 (%) Prévision 1985 Nylon 6 54 500 53 000 A 35 — E 21 — F 18 — MC 17 56 000 Nylon 66 16 500 18 000 A 44 —
000 Nylon 66 16 500 18 000 A 44 — E 39 24 200 Polyacétal 52 500 53 000 E 41 — A 25 67 700 Polycarbonate 37 000 37 000 E 41 — M 30 42 000 Polypropylène dénaturé 22 500 25 000 E 32 — E 2 26 — E 3 24 34 000 Polybutadiène 16 000 17 000 E 55 — A 26 — M 17 20 800 A : automobile. E : industrie électrique et électronique (E1 : électrique E2 : électronique E3 : bureautique). F : films. MC : matériaux de construction. M : industrie
: films. MC : matériaux de construction. M : industrie mécanique générale. Fig. 2. — Cylindre, piston et axe de piston en céramique au carbure de silicium pour moteur diesel (Hitachi Ltd). TABLEAU VIII Estimation du marché japonais des céramiques fines (MITI 1981) unité : 109 yens Composants électriques 200 dont condensateurs (90) — emballage de circuits intégrés (60) Composants mécaniques 40 Composants automobiles 40 dont bougies (37) Composants nucléaires 25 305 La substitution des matières premières minérales : aspects technico-économiques par Philippe BEUTIN chef du service matières premières et matériaux de l'Agence française pour la maîtrise de l'énergie (AFME)
matériaux de l'Agence française pour la maîtrise de l'énergie (AFME) Depuis dix ans, la recherche de substituts à des matières premières minérales a plus été commandée par la sécurité d'approvisionnement que par les prix. Ceux-ci, en effet, n'ont pas augmenté en monnaie constante, alors que des menaces ont pesé sur certaines matières premières, soit en raison de leur origine géographique, soit en raison de situations de monopole. L'article décrit les efforts pratiqués pour réduire la consommation de certains métaux non ferreux : argent, cobalt, étain, tantale, ainsi que le développement de produits nouveaux tels que les céramiques techniques. Minerai de
de produits nouveaux tels que les céramiques techniques. Minerai de cuivre : malachite et azurite. (source AFME) 1. LA PLACE DE LA SUBSTITUTION DES MATIÈRES PREMIÈRES MINERALES DANS LE CADRE DE LA POLITIQUE D'APPROVISIONNEMENT FRANÇAISE Dix ans après le premier choc pétrolier, qui fut aussi à l'origine d'une flambée sans précédent des prix des matières premières industrielles sur les marchés mondiaux, il est souhaitable de prendre un peu de recul pour mesurer les bouleversements qui ont pu apparaître dans les habitudes de consommation des pays occidentaux et, plus particulièrement, de la France. Il ne s'agit pas de décrire les modifications
la France. Il ne s'agit pas de décrire les modifications intervenues au niveau du comportement des consommateurs finals (les ménages), mais plutôt d'insister sur les mutations technologiques qui se sont faites jour, au stade de la production de biens intermédiaires. Une première observation importante concerne l'évolution des prix des matières premières de base. En monnaie constante, et sur la période 1973-1984, cette évolution a été à la stagnation, voire à la baisse des prix des matières de base. Cela a contribué à masquer les dangers réels qui planent sur l'approvisionnement des pays occidentaux du fait de la localisation géographique de
des pays occidentaux du fait de la localisation géographique de la production minière ou métallurgique : production très concentrée pour un nombre important de substances (chrome, vanadium, manganèse, platine, etc.). Entre le premier choc pétrolier et la fin de la décennie 70, plusieurs événements graves sont intervenus sur les marchés mondiaux des métaux non ferreux qui ont alors défrayé la chronique journalistique. Ces accidents de parcours laissent dans la mémoire des utilisateurs industriels un souvenir très présent, même si depuis 1980 un calme relatif s'est développé. Il n'est pas inutile de revenir sur les événements survenus ponctuellement sur la période
de revenir sur les événements survenus ponctuellement sur la période 1973-1980 : — interruption brutale des exportations d'éponge de titane, d'origine soviétique, vers la France au moment où le programme Airbus prenait son essor ; la recherche d'autres sources d'approvisionnement (japonaises) pour alimenter les transformateurs français fut alors laborieuse ; — perturbation politique grave dans la province du Shaba (Zaïre), principale source d'approvisionnement en cobalt du monde occidental, créant le désordre le plus total sur le marché mondial ; les disparités de traitements auxquelles furent soumis les utilisateurs industriels de cobalt furent à l'origine de clivages qui sont encore visibles
cobalt furent à l'origine de clivages qui sont encore visibles aujourd'hui ; — spéculation insensée sur le marché de l'argent métal, menée par un homme d'affaires texan (affaire Hunt) ; les répercussions industrielles de cette spéculation furent là aussi très importantes (mise en difficulté d'une entreprise mondialement connue dans la fabrication de surfaces sensibles, par exemple) ; — contingentement imposé par le principal producteur mondial de molybdène à ses clients européens, à la suite d'une flambée de la demande, face à une offre stagnante, ce qui amena un des plus importants fabricants français d'aciers spéciaux à arrêter une sorte de
importants fabricants français d'aciers spéciaux à arrêter une sorte de plan d'urgence pour ne pas freiner sa production (resserrement des fourchettes d'analyses, modifications des conditions d'élaboration, etc.). Ces quelques exemples n'épuisent pas la liste des événements susceptibles d'être mentionnés. Ils présentent l'intérêt de décrire l'ampleur des répercussions qui n'ont pas manqué d'apparaître : retard important de réalisation de commandes, notamment à l'exportation ; apparition en France de produits étrangers de substitution, etc. Prendre un peu de recul sur ces événements n'est pas inutile, pour tenter de mieux cerner ce que l'on a appelé, de façon souvent abusive, « matériaux stratégiques
l'on a appelé, de façon souvent abusive, « matériaux stratégiques ». Si cette notion nous apparaît familière maintenant, son contenu n'en reste pas moins très confus. Pour y voir un peu plus clair, il faut prendre en compte trois paramètres qui peuvent l'un ou l'autre conférer à un matériau ce caractère « stratégique ». Ces trois paramètres sont : — l'aspect très vulnérable de l'origine géopolitique d'un élément important, constitutif du matériau considéré (ex. : le cobalt confère aux produits dans lesquels il entre un caractère stratégique, compte tenu de l'importance du Zaïre comme source principale de production du monde
l'importance du Zaïre comme source principale de production du monde libre) ; — les débouchés finals des matières premières concernées (exemple : l'utilisation du titane dans l'industrie aéronautique, pour l'essentiel de ses usages finals, lui donne le caractère d'élément stratégique) ; la question que l'on peut se poser, à ce niveau, est de savoir s'il faut privilégier les secteurs dits de pointe, à fort développement technologique, et oublier les autres ; il est clair qu'en cas de rupture d'approvisionnement le secteur des biens industriels intermédiaires serait le premier touché, avec les conséquences sociales que l'on imagine (exemple : l'industrie des
les conséquences sociales que l'on imagine (exemple : l'industrie des aciers spéciaux face à une pénurie de chrome) ; — l'existence d'une technologie de pointe dans la filière d'élaboration d'un matériau, donnant à la société qui la maîtrise une supériorité commerciale sur le marché (exemple : une zircone spéciale de haute pureté, élaborée dans des conditions très précises pour des applications thermo-mécaniques (moteurs diesel), doit être considérée comme stratégique. Dans le contexte actuel, plutôt sécurisant pour les économies occidentales au regard de leurs approvisionnements en matériaux stratégiques (qu'il s'agisse de métaux ou de substances minérales non métalliques, de produits semi-élaborés),
métaux ou de substances minérales non métalliques, de produits semi-élaborés), on peut se demander si les substitutions peuvent constituer une réponse satisfaisante aux problèmes d'approvisionnements, de façon complémentaire aux autres volets de la politique française dans le domaine (stockage de précaution, incitations à la recherche minière, développement des capacités financières et technologiques des opérateurs français, etc.). La réponse est positive, si on se réfère aux résultats acquis sur la période 1973-1984, tant en France qu'à l'étranger pour des substances telles que le cobalt, l'argent, le titane ou l'étain, encore que jamais une substitution n'est totale, même dans une application donnée.
jamais une substitution n'est totale, même dans une application donnée. Les évolutions se font lentement et obéissent à des mécanismes très complexes, que l'on ne peut pas résumer au seul aspect « prix ». Le jeu de différents facteurs intervient assez souvent de façon déterminante pour déclencher un phénomène de substitution. Ainsi, des incitations intéressantes peuvent naître du souci d'augmenter sensiblement les performances d'un produit, ou d'assurer une production automatisée là où un travail manuel était auparavant nécessaire (exemple : brasage automatisé permettant des économies d'argent) ou, encore, de mettre sur le marché un produit représentant une innovation réelle par
sur le marché un produit représentant une innovation réelle par rapport à la concurrence (exemple : transformateur en aluminium, boîte de conserve à faible taux d'étain, etc.). Pour l'industrie, au milieu de ces mécanismes complexes, il est souvent utile de pouvoir se référer à une analyse globale des problèmes d'approvisionnements pour faire les bons choix. 2. L'INDUSTRIE FRANÇAISE FACE AUX SUBSTITUTIONS DE MATIÈRES PREMIÈRES Pour apprécier correctement l'impact des efforts de substitution réalisés en France au cours des dernières années, il convient de croiser deux approches très complémentaires. La première approche consiste à analyser l'évolution des produits (intermédiaires et finis)
approche consiste à analyser l'évolution des produits (intermédiaires et finis) afin de dégager des tendances. La seconde approche prend en compte le développement de nouveaux procédés de mise en œuvre ou de transformation des matériaux susceptibles de leur conférer des propriétés ou des performances tout à fait nouvelles. En d'autres termes, la politique de substitution dans l'entreprise passe à la fois par une redéfinition de la conception des produits et par l'utilisation de procédés originaux apportant des performances jusqu'alors inégalées. Pour une matière première comme le chrome, une illustration des possibilités technologiques susceptibles d'être mises en œuvre en cas de
possibilités technologiques susceptibles d'être mises en œuvre en cas de pénurie est donnée ci-dessous : — utilisation de nuances de substitution des aciers inoxydables (qu'il s'agisse de nuances disponibles sur le marché à faible teneur en chrome ou de nouvelles nuances à développer à partir des travaux effectués au laboratoire) ; — développement des procédés de laminage contrôlé permettant d'améliorer sensiblement les caractéristiques mécaniques des aciers inoxydables (possibilités d'allégement à condition de revoir les codes de calcul) ; — reconstitution, par des techniques pointues de traitements de surfaces, de compositions « type inoxydable », à la surface d'acier courant (mise
« type inoxydable », à la surface d'acier courant (mise en œuvre de techniques lourdes en cours d'exploration, à l'heure actuelle, telles que l'implantation ionique ou les techniques laser) ; — utilisation de matériaux substituts, disponibles sur le marché (en particulier polymères et composites ou alliages d'aluminium) pour des usages comme le génie chimique ou les ustensiles de ménage ; le potentiel immédiatement substituable est important (sans doute de l'ordre de 25 % du marché du chrome) ; — développement de nouveaux matériaux de substitution (en particulier des composites) susceptibles d'être utilisés dans des environnements difficiles (température, pression, agents agressifs,
d'être utilisés dans des environnements difficiles (température, pression, agents agressifs, etc.). Si des études réalisées, tant aux États-Unis qu'en Europe, semblent montrer que 25 à 30 % des utilisations du chrome sont substituables dans un délai court, sans qu'il soit nécessaire de rechercher des solutions techniques nouvelles, il est également admis que pour aller plus loin et déplacer 25 % supplémentaires, un effort de recherche et de développement de 3 à 5 ans s'avérerait indispensable pour vérifier la validité des solutions alternatives auxquelles les techniciens ont pu penser. Une des barrières les plus importantes à surmonter relève du domaine de
barrières les plus importantes à surmonter relève du domaine de la certification ou de la qualification des produits de substitution, en particulier dans les domaines de grande diffusion (exemple : automobile). Les laboratoires français industriels (Ugine Aciers, Usinor, Sidérurgie, Air Liquide, etc.) travaillent actuellement sur ces thèmes de recherche, avec le concours des pouvoirs publics et en association avec l'université. Le cas du chrome est particulier, dans la mesure où, jusqu'à présent, aucune crise grave n'est venue entraver les approvisionnements occidentaux, de telle sorte que certaines études de laboratoires peuvent apparaître comme académiques. En fait, elles apportent beaucoup dans le
apparaître comme académiques. En fait, elles apportent beaucoup dans le domaine de la connaissance des propriétés d'emploi des aciers alliés. Tel n'est pas le cas d'autres métaux non ferreux comme l'étain, le cobalt, l'argent, le tantale et même le titane, qui ont donné lieu à des efforts de substitution très importants de l'industrie, comme cela est mentionné dans le tableau I. On peut considérer aujourd'hui que, pour l'argent, un mouvement inéluctable de substitution s'est déclenché, sauf dans le domaine de la photographie où l'ampleur des problèmes technologiques est telle que l'on imagine difficilement un basculement du marché vers d'autres produits
l'on imagine difficilement un basculement du marché vers d'autres produits photo-sensibles, à court terme. En ce qui concerne le cobalt, les usages métalliques de ce produit ont perdu beaucoup de terrain depuis dix ans face à la vague des solutions de substitution, qui apportent aux firmes qui les mettent en œuvre un avantage industriel et commercial considérable sur le marché mondial. Il s'agit pour l'essentiel de groupes américains. Le cas de l'étain est intéressant car il montre que la profession du fer-blanc (secteur d'activités très dynamique et largement exportateur sur le plan français) n'a pas négligé les efforts de recherche
le plan français) n'a pas négligé les efforts de recherche et développement ou d'investissements pour être prête à lancer sur le marché des produits de substitution (fer chromé, fer à faible taux d'étain passivé). La nouvelle étape, beaucoup plus prospective et risquée, est de développer un fer-noir verni, sans revêtement métallique. TABLEAU I Études de substitutions à des métaux non ferreux Domaines de substitution Potentiel Résultats obtenus étudiés de substitution Argent Matériaux de contacts électriques (disX Encourageants (premiers alliages de joncteurs, commutateurs, etc.) substitution mis au point) Alliages de brasure en mécanique XX Spectaculaires, grâce à des techniques (automobile, électro-ménager,
en mécanique XX Spectaculaires, grâce à des techniques (automobile, électro-ménager, etc.) d'assemblage nouvelles, automatisées et plus performantes Cobalt Superalliages pour l'aéronautique XXX Très importants, grâce à la mobilisation de laboratoires américains nickel surtout Outils de coupe cémentés X Les études de laboratoires ont été positives (France), dans la voie du remplacement du cobalt. Les céramiques apparaissent également comme des concurrents Alliages du type stellite XX Encourageants : • nouvelles techniques de revêtements (laser, B.E., etc.) • alliages de substitution • entrée en force des céramiques supprimant le stellitage Sels et oxydes faible II s'agit sans doute du marché le plus
oxydes faible II s'agit sans doute du marché le plus résistant aux efforts de substitution Étain Revêtement du fer-noir (fer étamé) XX De nombreux produits de substitution sont apparus (en France, notamment) mais, pour l'instant, la pénétration de ces produits sur le marché reste modeste Tantale Outils cémentés XX Des études de laboratoires ont permis d'imaginer une substitution par le niobium et le hafnium Condensateurs X Les condensateurs aluminium sont de bons substituts dans certaines conditions d'utilisation Ainsi, en l'espace de quelques années, les laboratoires industriels et universitaires ont su imaginer des solutions technologiques nouvelles, sources de nouveaux progrès, face
imaginer des solutions technologiques nouvelles, sources de nouveaux progrès, face à une concurrence étrangère qui considère le thème de la substitution des matériaux métalliques comme un thème très porteur. L'exemple américain donne la dimension du problème. Par exemple, la NASA conduit un programme intitulé COSAM (Conservation of Strategic Aerospace Materials) qui a entrepris l'étude complète des substitutions du cobalt, du tantale et du niobium dans les super alliages, de la même façon qu'est mené un travail sur les nouveaux procédés et les nouveaux matériaux. Une répartition fine du travail a été décidée, en association avec de nombreux laboratoires industriels ou
été décidée, en association avec de nombreux laboratoires industriels ou universitaires. 3. L'ÉMERGENCE DES MATERIAUX NOUVEAUX De façon très volontariste, le Japon a placé le développement des matériaux nouveaux parmi les préoccupations dominantes du pays, sur le même plan que le développement des filières électroniques, informatiques ou robotiques. Les différents organismes gouvernementaux, à caractère scientifique et technique, ont été mobilisés. Une récente délégation japonaise, reçue par le CESTA en France, est venue présenter les technologies « transférables » et disponibles pour des clients français. Le thème « matériaux » devient un de ceux qui seront de plus en plus évoqués
un de ceux qui seront de plus en plus évoqués dans les grands accords industriels internationaux. Nul doute n'est permis quant aux bouleversements qui naîtront des développements à attendre, en particulier pour l'industrie des métaux de base même si le clivage matériaux nouveaux / matériaux traditionnels n'est pas toujours justifié. Deux exemples permettent d'illustrer ce propos : — la fonte a reconquis une petite partie du terrain laissé depuis plusieurs années aux alliages d'aluminium grâce à une nouvelle technique de fonderie à paroi mince (industrie automobile) ; la fonte, matériau traditionnel, retrouve ses lettres de noblesse ; — l'aluminium, connu
traditionnel, retrouve ses lettres de noblesse ; — l'aluminium, connu traditionnellement sous la forme de produits de fonderie ou de produits corroyés, élargira son domaine d'utilisation grâce à de nouvelles nuances (alliages aluminium-lithium pour l'aéronautique qui seront sans doute en compétition avec les composites à matrice organique), à des produits particuliers dotés de performances étonnantes (composites à matrice d'aluminium renforcé de fibres pour pistons, ou encore grâce à des poudres d'aluminium à structure micro-cristallisée obtenue par hypertrempe, transformées en demi-produits). Jante en matériau composite pour la Formule 1. (source Société MOC-Aisne) En fait, il est probable que la course aux