Élaboration de céramiques alvéolaires à base de kaolin : propriétés thermiques et mécaniques

par Julie Bourret

Thèse de doctorat en Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Sous la direction de David Stanley Smith et de Nicolas Tessier-Doyen.

Le président du jury était Fabrice Rossignol.

Le jury était composé de Jocelyne Brendlé, Jérôme Chevalier, Yves Scudeller.

Les rapporteurs étaient Jocelyne Brendlé, Jérôme Chevalier.


  • Résumé

    L'élaboration de matériaux argileux fortement poreux par des procédés peu coûteux et respectueux de l'environnement offre une voie d'accès prometteuse à la mise au point d'isolants thermiques performants, expliquée par la faible conductivité thermique de l'air (0,026 W. M⁻¹. K⁻¹) et de certains phyllosilicates comme le kaolin (1 W. M⁻¹. K⁻¹). Cependant, la structure en feuillets des argiles peut conférer au matériau final un caractère anisotrope à l'échelle macroscopique. Au cours de ce travail, des mesures de la conductivité thermique par différentes techniques expérimentales et du module d'Young ont été effectuées sur des matériaux composés de kaolinite et de muscovite élaborés par pressage ou extrusion. Les résultats obtenus ont permis de corréler les variations de ces propriétés avec les transformations minéralogiques intervenant au cours d'un traitement thermique et de souligner l'importance du procédé de mise en formesur l'anisotropie et les valeurs intrinsèques de la partie solide. L'influence d'une quantité importante de porosité a également été étudiée par l'intermédiaire de mousses présentant des taux de porosité compris entre 55 et 95 %, fabriquées à partir d'un kaolin mélangé en voie acqueuse à un émulsifiant puis consolidées par traitement thermique. Des valeurs très faibles de la conductivité thermique (0,054 W. M⁻¹. K⁻¹ pour 95% de porosité) ont été obtenues pour ces matériaux tout en garantissant une tenue mécanique acceptable (lois de comportement en compression). Une comparaison des valeurs expérimentales avec celles issues de modèles analytiques a permis de montrer l'importance de l'interconnexion des cellules sur les propriétés macroscopiques.

  • Titre traduit

    Kaolin-based foams : thermal and mechanical properties


  • Résumé

    Candidate materials for thermal insulation combine a solid phase of low thermal conductivity (<1 W. M⁻¹. K⁻¹) with a high pore volume fraction. This work concerns the preparation of ceramic foams exhibiting such characteristics using kaolin clay as the starting material. Processing involves a surfactant to stabilize the foam while remaining low cost and environmentally friendly. The properties of a clay-based material are sensitive to the orientation of the clay particles and, with thermal treatment, mineralogical transformations. Measurements of thermal conductivity and Young's modulus were made on textured kaolonite/muscovite samples obtained by extrusion, uniaxial or isostatic pressing and cut in different directions. An initial study revealed anisotropy at the macroscopic scale up to a factor of 3 related to the forming conditions and the amount of muscovite. However, with thermal treatment, this factor is progressively removed by transformations such as dehydroxylation and formation of mullite. In the last part, the pore volume fraction (Vp) was varied in the kaolin based foam by modifying the incorporated clay amount in the starting mixture. After thermal treatment at 1100̊ C, measurements of the thermal conductivity revealed a decrease from 0. 23 W. M⁻¹. K⁻¹ at Vp=0. 57 to 0. 054 W. M⁻¹. K⁻¹ at Vp=0. 95 in close agreement to predictions by the Hashin-Shtrikman upper bound, a cubic pore model and numerical simulation. The effective Young's modulus, obtained from mechanical compression tests, also decreases with pore volume fraction as described by Ashby's relation. However, the mechanical strengh was sufficient for handling even the more porous kaolin based foams.

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  • Détails : 1 vol. (162 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 118 réf.

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  • Cote : 85 BOU
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