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Les matériaux alvéolaires
Les matériaux alvéolaires et notamment les céramiques alvéolaires ont démontré leur intérêt à la fois dans des domaines très vastes comme le génie des procédés, l’énergie, le biomédical mais aussi pour des niches technologiques (rentrée atmosphérique, absorption de chocs). L’introduction de matériaux poreux dans des structures céramiques devrait permettre d’associer des caractéristiques qui sont souvent incompatibles (par exemple une forte perméabilité associée à une forte rigidité). Les matériaux alvéolaires possèdent donc de nombreuses propriétés qui font d’eux des matériaux de choix pour certaines applications. La maitrise de l’architecture, de la composition et de la densité relative des matériaux alvéolaires permet d’ajuster leurs propriétés pour atteindre le meilleur compromis en vue de l’application désirée. Ces matériaux peuvent être synthétiques mais il en existe aussi de nombreux à l’état naturel. Par exemple, les éponges, le corail ou encore le bois ont une structure de type alvéolaire. De plus, beaucoup d’aliments présentent une telle structure. On peut par exemple citer le pain, le chocolat ou encore la meringue. Dans cette partie, une description détaillée de la structure et des propriétés des matériaux alvéolaires sera faite. De plus, certaines applications de ces matériaux seront décrites.
Etude de la structure des matériaux alvéolaires
Généralités
Une structure solide alvéolaire (ou cellulaire) est constituée d’un réseau interconnecté de ligaments et de faces ou fenêtres reliés entre eux respectivement par des nœuds communs ou des arêtes communes [GIBSON01]. On peut distinguer deux structures majoritaires. La plus simple est caractérisée par un arrangement bidimensionnel de polygones, par exemple des hexagones comme générateur commun dans le plan. Dans le cas d’arrangements d’hexagones, cette structure extrudée est appelée « structure en nid d’abeilles ». La structure peut aussi s’arranger de façon tridimensionnelle pour remplir de manière périodique ou aléatoire l’espace. Dans ce dernier cas, la structure formée est appelée «mousse». On distingue deux types de mousses : les mousses à pores ouverts et les mousses à pores fermés selon que les faces ou fenêtres des alvéoles soient ouvertes ou fermées .
Les structures nid d’abeilles
Les structures nid d’abeilles sont caractérisées par une organisation périodique quasiparfaite [GIBSON01]. Outre les véritables nids d’hyménoptères, une des premières structures en nid d’abeilles étudiées par Hooke au XVIIème siècle était celle du liège.
Il est possible de réaliser des structures périodiques avec des cellules hexagonales, mais aussi avec des cellules en forme de carrés ou triangles. Selon la connectivité des cellules, c’est-à-dire le nombre de cellules communes à un nœud (3 pour les hexagones, 4 pour les carrés et 6 pour les triangles), les propriétés de la structure seront différentes .
Les structures en nid d’abeilles sont généralement décrites par une distribution étroite de diamètre de pores.
Structure des mousses
Les mousses peuvent être décrites à différentes échelles. A l’échelle microscopique, on observe le comportement du matériau constitutif de la matrice solide. On n’étudie généralement pas le comportement du solide à cette échelle : ce dernier est souvent assimilé aux propriétés du matériau dense macroscopique, si tant est qu’il soit possible d’en disposer. Ce matériau de base conditionne néanmoins en grande partie la plupart des propriétés physiques de la mousse (mécaniques, thermiques…). Les propriétés de surface peuvent aussi être observées à l’échelle microscopique (quantification des différents groupements chimiques, microporosité et rugosité de surface). L’échelle mésoscopique, elle, correspond à l’arrangement périodique des cellules. Si l’on veut avoir une description précise de cet arrangement, différentes modélisations peuvent être envisagées . Thomson a proposé une organisation périodique composée d’un empilement compact de cellules de type tétrakaidécaèdre (ou octaèdre tronqué), polyèdre à 14 faces [THOMSON1887]. Pendant environ un siècle, cette distribution a été considérée comme la plus proche de la structure réelle des mousses car elle minimise la surface totale de contact par unité de volume. Plus récemment, Weaire et Phelan [WEAIRE94] ont découvert une structure qui est plus compacte mais beaucoup plus complexe . Elle est constituée de deux types de cellules de même volume : un dodécaèdre à faces pentagonales et un tétrakaidécaèdre avec deux faces hexagonales et douze faces pentagonales.
Ces représentations ne sont cependant que théoriques et ne se rapprochent que partiellement des mousses de structure aléatoire. En effet, si les mousses produites par bullage peuvent avoir une taille de pore relativement uniforme, elles sont généralement formées d’un réseau tridimensionnel aléatoire. Elles peuvent être à pores ouverts ou à fermés. Si les pores forment un réseau interconnecté, on parle de mousses à pores ouverts ; à l’inverse, si les pores sont scellés par une paroi étanche, on parle d’une mousse à pores fermés . Dans le cas d’une porosité ouverte, on peut alors évaluer la perméabilité de la mousse.
Les mousses sont caractérisées par une certaine distribution de tailles de pores. Dans le cas extreme, les plus grandes cellules peuvent être jusqu’à cent fois plus grandes que les plus petites .
La composition et la texture du matériau constitutif, la géométrie des pores et leur dispersion, le taux d’anisotropie, la porosité totale et l’arrangement mutuel des cellules sont les principaux paramètres à prendre en compte pour analyser une mousse. Ces éléments sont cruciaux pour tester les propriétés physiques du matériau, par exemple ses propriétés mécaniques et thermiques. Si l’arrangement des cellules entre elles ne se fait pas dans une direction privilégiée, les propriétés attendues sont isotropes. Si les pores sont allongés ou aplatis dans une direction commune, une anisotropie est induite au niveau macroscopique. Ceci peut être observé en utilisant la microscopie optique ou électronique à balayage (MEB). Depuis plus d’un siècle, la géométrie des mousses a fait l’objet de plusieurs études [THOMSON1887] [PLATEAU1873]. Afin de définir la taille des pores, on utilise généralement l’unité de PPI (pore per inch), le nombre de cellules comptées sur la longueur d’un pouce.
Il est possible d’optimiser et de modifier la microstructure du matériau (en faisant varier le procédé d’élaboration), notamment la géométrie des pores, en vue d’obtenir les propriétés nécessaires à une application donnée [STUDART06] [HAMMEL14]. Par exemple, la conductivité thermique peut être ajustée par modification de la porosité et de la microstructure [LI12]. De plus, augmenter la porosité peut avoir des conséquences sur la perméabilité du matériau. Des matériaux possédant plusieurs niveaux de porosités hiérarchisées peuvent être conçus afin d’accroitre leurs fonctionnalités [COLOMBO10]. Ce type de matériaux a beaucoup été utilisé en tant que catalyseur ou absorbeur. Dans le but de minimiser les fissures au sein du matériau (accentuées par la présence de bords pointus), il est nécessaire d’avoir une structure de pores sphériques ou arrondis [IGHODARO12].
Les propriétés mécaniques
Les matériaux alvéolaires fragiles possèdent des propriétés mécaniques très intéressantes (grande capacité d’absorption d’énergie) qui résultent de leur structure cellulaire et des propriétés du matériau constituant les ligaments. Afin de caractériser le comportement mécanique des mousses de faible densité relative, l’essai de compression est à la fois simple et pertinent. Le comportement en compression dépend naturellement du volume sollicité (en particulier par rapport à la taille moyenne des cellules) mais aussi des conditions de contact des faces comprimées (plateaux parallèles ou indenteur, rugosité, collage ou non des faces aux plateaux) et des faces libres (confinement ou non des débris), dans le cas des matériaux fragiles. Les matériaux alvéolaires se déforment facilement pour un faible niveau d’effort. Leur réponse contrainte-déformation en compression uni axiale est caractérisée par quatre régimes [DELETTREZ08]. Le premier est une courte phase de déformation élastique linéaire. Vient ensuite une première rupture plus ou moins brutale (chute de contrainte plus ou moins importante), liée à la rupture simultanée de plusieurs cellules. Le troisième régime correspond à un plateau de contrainte plus ou moins étendu. On a alors une succession de déformations élastiques et de ruptures fragiles, la contrainte oscillant autour d’une valeur moyenne. Ensuite, le dernier régime se caractérise par une augmentation de rigidité ou densification du matériau. La contrainte augmente alors de façon brutale, la porosité étant entièrement comblée par les débris.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Etude bibliographique et positionnement du sujet
1. Les matériaux alvéolaires
Etude de la structure des matériaux alvéolaires
Généralités
Les structures nid d’abeilles
Structure des mousses
Propriétés des matériaux alvéolaires
Densité relative
Plage de propriétés des mousses
Les propriétés mécaniques
Perméabilité
Etude du comportement de céramiques vis-à-vis des chocs thermiques
Fonctionnalités et applications des matériaux alvéolaires
Les structures alvéolaires naturelles
Céramisation d’architectures alvéolaires
Propriétés des carbures
Carbure de silicium
Carbure de Titane
Procédés de céramisation par voie gazeuse
Procédé CVD/CVI
Procédé RCVD
Les études déjà réalisées en RCVD
CVD de SiC avec le système MTS/H2
Transformation d’architectures alvéolaires naturelles dérivées du bois
Pyrolyse et carbonisation
Préparation des carbures par céramisation
Les différents procédés envisageables
Transformation par voie gazeuse de préformes en bio-carbone
Mise en forme et transformation de structures réalisées par impression 3D
Principe de l’impression 3D
Mise en forme et céramisation de structures tridimensionnelles
Structures réalisées par impression 3D de fil fondu
Structures réalisées par stéréolithographie
Structures réalisées par projection de liant
Application : le solaire thermodynamique
Principe de fonctionnement d’une centrale à récepteur volumique
Réalisations industrielles
Les récepteurs volumiques
Etat de l’art
Principe, inconvénients et avantages des récepteurs volumiques
Morphologie et propriétés des matériaux constituant les absorbeurs solaires
Les matériaux déjà existants formant les absorbeurs
Simulation des propriétés thermiques dans les récepteurs volumiques
Conclusion
References bibliographiques
Chapitre 2 Matériel et méthodes
1. Mise en forme des échantillons
1.1. Mise en forme des échantillons de balsa
1.1.1. La découpe laser
1.1.2. La découpe jet d’eau
1.2. Mise en forme des structures tridimensionnelles
1.2.1. Impression 3D par dépôt de fil fondu
1.2.2. Impression 3D par projection de liant
2. Dispositifs expérimentaux d’élaboration
2.1. Four tubulaire : traitement thermique haute température
2.2. Réacteur CVD/RCVD haute température
2.2.1. Le réacteur et son système de pompage
2.2.1.1. Description du réacteur
2.2.1.2. Etude des profils thermiques du four
2.2.2. Dispositif d’introduction des gaz au sein du réacteur
2.2.2.1. Généralités
2.2.2.2. MTS et SiCl4
2.2.2.3. Tétrachlorure de titane TiCl4
2.2.2.4. Dicloromethylsilane (DCMS)
2.2.2.5. Courbes de vapeur des précurseurs
2.2.3. Différentes configurations de porte-échantillons pour les traitements RCVD/CVD
2.2.3.1. Porte-échantillon pour traitement CVD/RCVD sur balsa pyrolysé
2.2.3.2. Porte-échantillon pour traitement CVD sur préforme 3D
3. Caractérisations des matériaux
3.1. Préparation des échantillons : découpe, enrobage et polissage
3.2. Analyse de la morphologie des échantillons
3.2.1. Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et analyse élémentaire (EDS)
3.2.2. Microscopie Optique (MO)
3.2.3. Tomographie-X
3.2.4. Mesures de surface spécifique (méthode BET)
3.3. Analyse de la structure et de la composition
3.3.1. Diffraction des rayons-X (DRX)
3.3.2. Spectroscopie Raman
3.3.3. Microsonde de Castaing
3.4. Mesures de porosité
3.4.1. La pycnométrie à l’hélium
3.4.2. Mesure de densité à l’eau
3.4.3. Porosimétrie au mercure
3.4.4. Conclusion sur les mesures de porosité
3.5. Etude du comportement thermique des structures
3.5.1. Analyses ThermoGravimétriques (ATG) et calorimétrie différentielle (DSC)
3.5.2. Diffusivité thermique
3.5.2.1. Mesure photo-thermique microscopique – onde thermique
3.5.2.2. Principe de mesure par photo-réflectance
3.5.2.3. Dispositif expérimental
3.5.3. Analyse ThermoMécanique (TMA)
3.5.4. Tests aux chocs et gradients thermiques
3.6. Etude des propriétés mécaniques
3.6.1. Essais de compression
3.6.2. Essai de résistance ligamentaire
3.6.3. Tests de flexion 4-points
3.6.4. Analyse vibrationnelle
3.7. Etudes des propriétés optiques : mesure d’émissivité à Tamb
Références bibliographiques
Chapitre 3 Transformation d’essence de balsa
1. Rappel des intérêts et objectifs de l’utilisation du balsa
2. Elaboration des échantillons issus du balsa
2.1. Création de la macroporosité par découpe laser ou découpe jet d’eau
2.2. Pyrolyse et carbonisation
2.3. Transformation des échantillons de balsa pyrolysé en TiC par RCVD
Etude des conditions optimisées
Etude de la cinétique de la réaction de RCVD
2.4. Renforcement des échantillons de TiC par CVI de SiC
2.5. Conclusion partielle sur la transformation des échantillons de balsa
3.1. Résistance à l’oxydation des échantillons de TiC et TiC-SiC
3.2. Comportement mécanique des échantillons TiC et TiC-SiC
3.3. Propriétés de transport des gaz
3.4. Comportement thermique des échantillons TiC et TiC-SiC
Dilatation thermique
Diffusivité thermique
4. Conclusion sur l’utilisation de préformes de Balsa
Références bibliographiques
Conclusion générale
