Étude des propriétés mécaniques des aérogels de silice : modélisation en dynamique moléculaire

Molecular Dynamics simulations : study of the mechanical properties of silica aerogels

• Auteur / Autrice : William Gonçalves
• Direction : Geneviève Foray, Christophe Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/11/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Charlaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Morthomas, Arnaud Rigacci, David Rodney
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Coasne, Simona Ispas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Dynamique moléculaire

Gel de silice

Aérogels

Mots clés libres

Aérogels de silice

Dynamique moléculaire

Propriétés mécaniques

Silica aerogels

Molecular dynamics

Mechanical properties

Résumé

Les aérogels de silice se classent parmi les matériaux dits superisolants grâce à leurs propriétés thermiques exceptionnelles. Leur très faible conductivité thermique (< 15 mW.m-1.K-1) représente un pouvoir d’isolation convoité par de nombreux secteurs d’activité comme l’isolation thermique du bâtiment, l’aérospatial, le transport, l’emballage, etc.Ces matériaux amorphes nanostructurés atteignent des taux de porosité supérieurs à 90% et sont architecturés sur plusieurs ordres de grandeur. Leur structure se compose d’un réseau poreux tridimensionnel de silice à l’échelle nanométrique. Celui-ci forme un agrégat de plusieurs centaines de nanomètres qui est lui-même la brique élémentaire d’un second réseau poreux à l’échelle mésoscopique. L'architecture 3D nanométrique imbriquée pores / particules, dont la taille est proche du libre parcours moyen des phonons, est à l’origine des propriétés thermiques exceptionnelles des aérogels de silice, cependant, elle est aussi la source de leurs faibles propriétés mécaniques.Cette thèse se focalise sur l’étude à l’échelle nanométrique du comportement mécanique des aérogels de silice par dynamique moléculaire. La première partie porte sur le potentiel interatomique utilisé comme paramètre d’entrée des simulations et plus particulièrement sur sa capacité à reproduire les surfaces de silice amorphe. Ce potentiel, développé pour modéliser les propriétés structurales et énergétiques de la silice amorphe dense, démontre une bonne transférabilité quant aux propriétés de surface. Il permet de simuler avec fiabilité des matériaux de grandes surfaces spécifiques avec des temps de calcul acceptables. La seconde partie s'intéresse successivement à la génération de la nanostructure des aérogels, à la caractérisation des textures formées et à l'étude du comportement mécanique. Les résultats montrent l’influence de la vitesse de déformation et des effets de taille sur l’étude du comportement mécanique en traction et en compression. Les propriétés élastiques sont correctement caractérisées et les mécanismes de déformation identifiés. Enfin des agrégats sphériques de l’ordre de la centaine de nanomètres sont générés afin d’étudier leur comportement mécanique sous compression. Les lois de comportement de ces agrégats, comparables en taille à ceux observés expérimentalement, pourront ensuite servir de paramètres d’entrée et nourrir les simulations aux échelles supérieures

Thanks to their exceptional thermal properties, silica aerogels are considered as superinsulating materials. Their very weak thermal conductivity (< 15 mW.m-1.K-1) stands for an important insulating power which has many industrial applications such as building insulation, aerospacial, transport, packaging, etc.Those amorphous architectured materials can reach more than 90% of porosity and present a porous architecture at different length scales. Their structure is composed by a three dimensional porous and tortuous network at nanometric scale. This network forms an aggregate of a hundred nanometers length which is also the particle of a second porous network at mesoscopic scale. The 3D nanometric architecture of pores / particles, is at the origin of the exceptional thermal properties but is also responsible of the weak mechanical properties.This thesis focuses on the study at nanoscale of the mechanical behavior of silica aerogels using Molecular Dynamics simulations. The first part of the thesis concerns the interatomic potential used as parameter of the simulations and his capacity of reproducing amorphous silica surface properties. This potential has been developped for dense amorphous silica. It also shows a good transferability to model amorphous silica surface properties. It can be used to simulate large volumes of high specific area materials with optimized computational time. The purpose of the second part of this thesis is to generate the porous nanostructure of silica aerogels, to characterize its structure and to study its mechanical properties. The results show the influences of the strain rate and of the simulation box size on the mechanical behavior during tensile and compression tests. Elastic properties are correctly computed and the deformation mechanisms are identified. Finally, hundred nanometers aggregates are generated and their behavior under compression is studied. The behavior laws of these aggregates, comparable in length with the experimental ones, provide precious information for a multiscale model