Mechanical performance optimisation of tannin-based carbon foams

Responsable scientifique : Alain Celzard (UMR 7198  Institute Jean Lamour)

Partenaires Labex : M. Khelifa (LERMAB)

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Contexte— Les propriétés mécaniques des mousses de carbone vitreux ont été extrêmement peu étudiées en dépit du potentiel applicatif de tels matériaux : électrodes poreuses dans des dispositifs électrochimiques de conversion d’énergie, scaffolds pour l’ingénierie tissulaire, blindages ultralégers pour les ondes hyperfréquence, filtres pour fluides chauds ou corrosifs, supports de catalyseurs, isolants thermiques à haute température, précurseurs de céramiques cellulaires, etc. Les techniques de synthèse disponibles au laboratoire permettent désormais, et pour la première fois, de dissocier densité et diamètre de pores, deux paramètres inversement proportionnels l’un à l’autre dans les mousses classiques. Les mousses de carbone vitreux dérivés de tannins flavonoïdes, dont il est question ici, seront utilisées comme matériaux modèles pour mieux comprendre la mécanique de ces milieux hautement poreux, et les résultats permettront de les optimiser.

Objectifs— Optimiser les performances mécaniques de carbones vitreux cellulaires dérivés de ressources végétales en produisant des échantillons de structures contrôlées, en mesurant expérimentalement leurs propriétés mécaniques et en modélisant les résultats.

Démarche—  Nous proposons de préparer des échantillons de carbone vitreux alvéolaire de composition chimique constante mais aux paramètres structuraux (essentiellement porosité et taille de pores) contrôlés de manière indépendantes, ce qui n’a jamais été fait auparavant.

Résultats marquants —

• Analyse sans précédent des propriétés mécaniques en compression de plusieurs centaines d’échantillons répartis en 9 familles de structures et 6 classes de densités
• Analyse approfondie de l’impact des conditions de mesures, notamment avec et sans plaques rigides fixées sur leurs faces, et en fonction de la vitesse de sollicitation, et détermination des conditions pertinentes pour mesurer modules et résistances à la compression
• Aucun effet de la taille des pores, toute autre chose égale par ailleurs, n’a été observé
• Le module doit impérativement être déterminé avec plaques rigides fixées sur les faces des échantillons, alors que la résistance à la compression peut être obtenue indifféremment avec ou sans plaques
• Tous les matériaux, cellulaires, réticulés voire intermédiaires, obéissent à un même raffinement de la loi de Gibson & Ashby, et avec le même exposant critique
• A partir de ce raffinement, la fraction de solide contenu uniquement dans les brins des mousses a pu être calculée et trouvée en parfait accord avec des calculs basés sur des mesures indépendantes de propriétés thermiques et acoustiques
• Une classe de mousses semi-ouvertes a été définie, i.e., dont la contrainte à la compression évolue avec la densité de façon similaire à une mousse ouverte tout en étant meilleure en valeur absolue, mais dont le module a un comportement qui s’apparente à celui des mousses fermées
• La démonstration a été faite que la densité relative et la fraction de solide contenu dans les brins sont les deux seuls paramètres clés pour obtenir le comportement mécanique souhaité.

Principales conclusions — Sur le plan académique, la confrontation entre résultats expérimentaux et modélisation a permis d’aller bien au-delà de ce qui est habituellement fait sur les mousses rigides, car ces matériaux véritablement modèles sont des références expérimentales indispensables pour comprendre les effets des paramètres structuraux individuels. Sur le plan technologique, ces résultats permettent d’optimiser ces matériaux pour lesquels chaque application envisagée nécessite des propriétés mécaniques minimales rendant possible leur utilisation dans un contexte donné.

Perspectives — Ces travaux ouvrent la voie à une meilleure compréhension des mousses organiques, dont les variations de composition ont des effets (élasticité accrue, ductilité) qui s’ajoutent à ceux de la structure poreuse. Des tests en cisaillement et en flexion, très difficiles à réaliser compte tenu du caractère fondamentalement fragile de ces matériaux, mériteraient d’être entrepris afin de calculer le module de Weibull pour différentes structures.