Microstructure d’un matériau céramique poreux et son imagerie

Microstructure d’un matériau céramique
poreux et son imagerie

L’efficacité et le rendement de plusieurs applications techniques avancées (la filtration, les catalyseurs, les barrières thermiques,…) sont fortement liés aux propriétés de transport et ces propriétés physiques sont reliées, à leur tour, directement à la microstructure du matériau de base. Le comportement d’un matériau est contrôlé par sa microstructure [1]. Il est donc nécessaire de trouver un lien entre la microstructure et les propriétés d’un matériau pour la compréhension et la prédiction de son comportement. La perméabilité ainsi que la conductivité thermique d’un milieu poreux dépendent fortement de la porosité et la distribution des pores dans la phase continue (ici la phase solide). Par conséquent, l’observation visuelle du milieu poreux est très importante et précède l’inspection quantitative. A ce jour, les différentes techniques d’imagerie, notamment la microscopie électronique à balayage (MEB) [2] et la microscopie optique (MO) [3], permettent d’obtenir des images numériques bidimensionnelles qui décrivent la microstructure d’un matériau. Ces images sont stockées soit sous forme matricielles [4], où chaque image est discrétisée et représentée par un tableau de points en deux dimensions et où chaque point réfère à une phase ou un constituant, soit sous forme vectorielle [5]. Le traitement et l’analyse des images matricielles est dans ce chapitre l’objet de notre intérêt. La représentation bidimensionnelle de microstructures est commune et donne une certaine idée de la morphologie de microstructure, puisqu’elle contient toute l’information sur celle-ci, mais elle ne permet pas une appréhension immédiate de la structure tridimensionnelle du matériau. Par conséquent, une technique d’explicitation tridimensionnelle de la microstructure doit donc être utilisée afin de la visualiser immédiatement et de donner pleinement accès à celle-ci.

Matériaux poreux

Un matériau hétérogène est un matériau composé de domaines ou phases, soit de différentes natures soit d’un même matériau en différents états [6, 7]. Les matériaux hétérogènes sont fréquemment rencontrés dans la nature. Citons à titre d’exemples les matériaux composites, les matériaux poreux et les sables, les roches, les grès (en anglais sandstones), les matériaux granulaires, les gels, les mousses, et certains matériaux céramiques. La Figure I–1 présente quelques exemples de la microstructure de quelques matériaux poreux. Ces matériaux révèlent des propriétés intéressantes dues à leur microstructure complexe, c’est pourquoi la modélisation de ces structures est difficile. La microstructure de ces matériaux peut être caractérisée statistiquement, comme le montre le chapitre suivant, au moyen de fonctions de corrélations n-points [8] et par des mesures expérimentales directes. I.2.2. Porosité La porosité, et plus généralement la fraction volumique d’une phase, peut être définie comme le rapport entre le volume non occupé par la matière et le volume total, voir Figure I– 2. Cette définition se traduit par la relation : T S T p V V V V φ = =1− (Eq. I-1) où φ est la porosité, VP le volume des pores, VS le volume occupé par le solide et VT le volume total du domaine d’intérêt.  Cette définition décrit la porosité totale qui diffère de la porosité ouverte, cette dernière est définie par les pores joints et connectés à l’extérieur de l’échantillon et qui constituent un passage libre pour un fluide. Alors que la porosité bidimensionnelle représente le rapport entre l’aire des pores et l’aire totale d’une coupe. La méthode la plus usuelle lors de la quantification de la porosité consiste à peser un échantillon (en kilogramme) à l’aide d’une balance et à mesurer son volume (en m3 ). La masse volumique réelle ρ′ se calcule alors à partir de ces mesures. La porosité, alors, est le rapport entre cette valeur résultante et la valeur théorique de la masse volumique du matériau solide : ρ ρ φ ′ = (Eq. I-2) Le séchage de l’échantillon avant de le peser est recommandé pour libérer l’humidité des pores, ainsi trouver une valeur plus nette de ρ′ . De façon générale, dans un milieu digitalisé, comme décrit par la suite, la porosité d’un milieu bi-phasique est calculée par le rapport du nombre des pixels (voxels) qui correspondent à la phase des pores divisé par le nombre total des pixels (voxels) du milieu concerné.

Techniques d’imagerie

Les images des matériaux étudiés sont en général obtenues à l’aide d’un microscope. Il existe des multiples types de microscope en fonction de la source et la méthode de l’obtention de l’image. Tableau I–1 résume ces types [11]. La microscopie électronique à balayage (MEB) (en anglais Scanning Electron Microscopy ) est une technique de microscopie électronique fondée sur le principe des interactions électrons-matière, capable de produire des images en haute résolution de la surface d’un échantillon. Cette technique, considérée comme un essai non destructif, consiste à explorer la surface de l’échantillon [12], ce qui permet d’obtenir des images qui représentent la structure de la surface du matériau étudié. Ces images, en général bidimensionnelles, sont interprétables de différentes manières selon les informations désirées.