Présentation du matériau d’étude “superisolant”

Présentation du matériau d’étude

Dans ce chapitre, nous allons présenter le matériau “superisolant”. Outre la composition généralement utilisée pour ces matériaux, nous allons aussi aborder les propriétés thermiques de ces matériaux et l’impact de la constitution (fraction volumique et nature des constituants notamment) de ces matériaux sur ces propriétés. Nous nous concentrerons ensuite sur la connaissance que l’on a du matériau que nous considérerons jusqu’à la fin de ce manuscrit et qui est le constituant majoritaire des superisolants en terme de fraction massique, à savoir la matrice nanoporeuse de silice. Nous expliciterons ce que nous savons de ces matrices en termes de nature (mode de fabrication et caractéristiques des poudres utilisées) et de comportement hydrophile.

Enfin, pour traiter l’organisation matérielle à l’intérieur des ces matrices, nous aborderons la notion de dimension fractale, nombre sans dimension caractéristique de la structure d’un matériau. Une fois la notion de “fractale” précisée, nous finirons ce chapitre par une revue bibliographique des dimensions fractales couramment trouvées dans la littérature sur des matériaux proches de ceux que nous étudierons. Les superisolants de type microporeux doivent leur dénomination de superisolant à leur extraordinaire capacité d’isolation thermique. La figure 1.1, figure tirée de [Ebe07], représente, pour les isolants que l’on trouve couramment dans le domaine du bâtiment (mousses de polystyrène et polyuréthanne, et fibre de verre) et pour un superisolant microporeux, l’évolution de la conductivité thermique en fonction de la pression d’air qui règne à l’intérieur de ces isolants. On constate qu’à pression ambiante, alors que les isolants utilisés habituellement dans le domaine de l’isolation thermique du bâtiment affichent au mieux des valeurs de conductivité thermique effective de l’ordre de 30 − 35 mW.

Premièrement, si on veut obtenir des conductivités thermiques de l’ordre de 5 mW · m avec les isolants que l’on utilise traditionnellement, il faut faire chuter la pression qui règne en leur sein en deçà de 0.1 mbar. Ce niveau de pression est extraordinairement faible par rapport à l’atmosphère et il n’existe pas à l’heure actuelle d’enveloppes capables de garantir des durées de service de 30 ans en maintenant un niveau de performance proche du niveau initial. Deuxièmement, si on continue de faire chuter la pression régnant à l’intérieur du superisolant microporeux, la conductivité thermique effective de celui-ci ne diminue presque plus. Pour diminuer cette conductivité thermique effective de 1 mW · m(soit un gain de 20%), il faut faire chuter la pression de deux ordres de grandeur. Pour les mêmes raisons que précédemment, cette solution est inenvisageable.

L’extraordinaire capacité d’isolation thermique des superisolants microporeux s’explique par leur microstructure et les matériaux qui les composent. Ils présentent généralement trois types de constituants :c’est le composant majoritaire (plus de 90 % de la fraction volumique solide) de ces matériaux microporeux, elle doit donc être à base d’un matériau qui soit un bon isolant thermique : en général il s’agit de silice amorphe SiO. Cette matrice est composée de nanoparticules de silice dont le diamètre est de l’ordre de la dizaine de nanomètres. On distingue clairement la matrice et les nanoparticules sur les deux clichés de microscopie électronique en transmission de la figure 1.3. Cette matrice, comme on va le voir plus loin, confère au matériau de très bonnes propriétés thermiques en terme de convection et de conduction. On détaillera plus finement la structure de cette matrice au paragraphe 1.2.3.

..en très faible fraction volumique (≤ 5 %), ces microparticules jouent le rôle d’opacifiant pour les longueurs d’onde dans le domaine de l’infrarouge. Suivant le domaine de température auquel le matériau est destiné, ces microparticules peuvent être à base de carbure de silicium, zircon, oxyde de titane, . . .Sur les deux clichés de microscopie électronique en transmission de la figure 1.4, on distingue ces microparticules (en zircon sur ces clichés) en très faible fraction volumique. Les zones blanches sont dues à des arrachements de la matière lors de l’usinage de l’échantillon. De même, les stries qui apparaissent clairement sur ces micrographies sont aussi dues à l’usinage des échantillons. Autour de ces microparticules, on commence à distinguer la matrice nanoporeuse, en particulier sur l’image (b).