Comportement mécanique de composites super-isolants d’aérogel de silice : une approche couplée expérimentale et numérique

Mechanics of super-insulating silica aerogel composites : a coupled experimental and numerical approach

• Auteur / Autrice : Guillaume Hamelin
• Direction : Christophe Martin, Sylvain Meille, David Jauffrès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Barthel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien André, Sylvain Deville
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wim Malfait, Sylvie Calas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolants thermiques

Composites

Mots clés libres

Aérogel de silice

Isolant thermique

Composite

Simulations par éléments discrets

Ténacité

Silica aerogels

Composite

Thermal insulation

Discrete element simulations

Fracture toughness

Résumé

Avec le renforcement des réglementations concernant l'efficacité énergétique dans le secteur du bâtiment, l'épaisseur requise pour l'isolation thermique des bâtiments avec des matériaux conventionnels (laine de verre, mousses polymériques...) peut devenir prohibitive. C'est un puissant moteur pour le développement d'une nouvelle classe de produits, les matériaux Super-Isolants à Pression Atmosphérique (SIPA), basés sur l'utilisation de particules d'aérogel de silice (SAP). Les aérogels de silice sont caractérisés par une nanoporosité très élevée (~95%) à l’origine de leurs faibles conductivités thermiques mais aussi de leurs très faibles propriétés mécaniques, limitant la capacité à manipuler et l'utiliser des produits SIAP pour leurs applications dans le secteur du bâtiment. L'objectif de ce travail est de mieux comprendre le comportement mécanique des SIAP afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques, principalement la ténacité, tout en préservant leurs propriétés thermiques exceptionnelles (conductivité thermique cible d'environ 15 mW/m/K). Les matériaux étudiés ici sont des panneaux composites produits à partir d'une distribution bimodale de SAP et d'un liant polymère. Différents composites sont fabriqués et leurs propriétés microstructurales, mécaniques et thermiques sont caractérisées. Un modèle numérique original basé sur la méthode des éléments discrets (DEM) est ensuite développé. Tout d'abord, la caractérisation mécanique (compression) des particules individuelles d'aérogel de silice est utilisée pour calibrer les paramètres matériau des particules numériques. La simulation de la rupture de ces particules numériques est suffisamment précise pour reproduire des réseaux de fissures similaires à ceux observés par tomographie à rayons X dans des particules réelles d'aérogel de silice. Deuxièmement, des composites numériques de grande taille sont générés à l'aide des particules numériques calibrées d'aérogel de silice afin de simuler la rupture des échantillons composites et d'en extraire les propriétés mécaniques macroscopiques. L'influence de la distribution de taille des SAP et de l'incorporation des fibres sur le comportement à la rupture du composite est évaluée à la fois expérimentalement et numériquement. Enfin, la performance thermique des panneaux composites sans et avec fibres est caractérisée, ce qui amène à la conclusion qu'un renforcement par fibres correctement géré peut entraîner une augmentation significative de la ténacité (x1,5 à x2) tout en augmentant la conductivité thermique de seulement 1-2 mW/m/K.

As new regulations for energy efficiency tighten in the building sector, the thickness required for thermal insulation of buildings with conventional materials (glass wool, polymeric foams...) can become prohibitive. This is a strong driving force for the development of a new class of products, the Super-Insulation at Atmospheric Pressure (SIAP) materials, based on the use of Silica Aerogel Particles (SAP). Silica aerogels are characterized by a very high nanoporosity (~95%) responsible for their unprecedented low thermal conductivities but also for their very low mechanical properties, limiting the handling ability and the use of SIAP products in building applications. The objective of this work is to gain a better understanding of the mechanical behaviour of SIAP in order to improve their mechanical properties, mainly fracture toughness, while preserving their exceptional thermal properties (target thermal conductivity of approximately 15 mW/m/K). The materials studied here are composite panels produced using a bimodal distribution of SAP and a latex binder. Different particulate composites are processed and their microstructural, mechanical and thermal properties are characterized. An original numerical model based on the Discrete Element Method (DEM) is then developed. First, mechanical characterization (crushing) of individual silica aerogel particles is used to calibrate the material parameters of the numerical particles. The simulated failure of these digital particles is accurate enough to reproduce crack patterns similar to those observed by X-ray tomography in real silica aerogel particles. Second, large numerical particulate composites are generated using the calibrated numerical silica aerogel particles in order to simulate the fracture of composite samples and extract macroscopic mechanical properties. The influence of the SAP size distribution and fiber incorporation on the composite fracture behaviour is assessed both experimentally and numerically. Lastly, the thermal performance of composite panels without and with fibers is characterized leading to the conclusion that properly managed fiber reinforcement can result in a significant increase in toughness (x1.5 to x2) while increasing the thermal conductivity by only 1-2 mW/m/K.