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Article

1 - PROPRIÉTÉS OPTIQUES

2 - PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES

3 - PROPRIÉTÉS THERMIQUES

4 - DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE TRAITEMENT OU DE MISE EN FORME ASSOCIÉES

5 - APPLICATIONS DES AÉROGELS

  • 5.1 - Aerogels de silice et minéraux
  • 5.2 - Aérogels organiques et aérogels de carbone
  • 5.3 - Les aérogels précurseurs de matériaux

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : AF3610 v2

Propriétés optiques
Aérogels - Aspects matériaux

Auteur(s) : Thierry WOIGNIER

Date de publication : 10 juil. 2017

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RÉSUMÉ

Les aérogels sont des matériaux très poreux obtenus par procédé sol-gel et séchage hypercritique. De par leur mode de synthèse et leur microstructure poreuse ils présentent des caractéristiques physiques uniques qui leur confèrent des potentialités intéressantes dans des domaines très variés: l’isolation thermique, l’électrochimie, la catalyse, l’acoustique, le confinement des déchets nucléaires, l’astrophysique mais aussi les biosciences. Après avoir décrit certaines propriétés physiques particulières des aérogels nous présentons les grandes classes d’aérogels étudiés dans la littérature (aérogels de silice, aérogels d’oxydes, aérogels organique, aérogels composites...) et des applications très différentes de ces matériaux.

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ABSTRACT

Aerogels. Material properties

Aerogels are highly porous materials obtained from the sol-gel process and supercritical drying. Thanks to the synthesis process and their porous microstructure, aerogels exhibit unique physical properties allowing interesting applications in technology, such as in thermal insulation, electrochemistry, catalysis, aerospace, acoustics, nuclear waste containment, and also biosciences. We describe some of the unusual properties of physical aerogels and present the different classes of aerogels studied in the literature (silica aerogels, oxide aerogels, organic aerogels and composite aerogels) and their different applications.

Auteur(s)

  • Thierry WOIGNIER : Directeur de Recherche au CNRS - Aix Marseille Université, Université Avignon, CNRS, IRD, IMBE - IRD UMR 237, Campus Agro Environnemental Caribéen, le Lamentin, Martinique

INTRODUCTION

Les premiers « aérogels » ont été préparés en 1931 lorsque Kistler, de l’université du Pacifique de Stockton en Californie, chercha à démontrer qu’un gel contenait un réseau solide continu de même taille et de même forme que ce gel. Kistler conjecturait que lors du séchage, l’interface liquide-vapeur du liquide d’évaporation exerçait des forces importantes de tension superficielle conduisant à l’effondrement de la structure solide. Il a alors découvert l’aspect principal de la production d’aérogel : le séchage hypercritique qui consiste à faire passer de manière continue, c’est-à-dire sans changement d’état, la phase liquide sous sa forme gazeuse.

Les premiers gels étudiés par Kistler étaient des gels de silice préparés par condensation acide d’une solution aqueuse de silicate de sodium. L’eau présente dans la solution était échangée par un alcool afin que puisse être réalisé le séchage hypercritique, permettant finalement d’obtenir des aérogels transparents, de faible densité et très poreux.

Même s’ils apparaissaient intéressants à de nombreux égards, les aérogels furent néanmoins délaissés par suite du trop long temps de préparation et ce n’est qu’à la fin des années 1970 que l’intérêt fut renouvelé par la mise au point d’un nouveau processus de fabrication par l’université Claude Bernard à Lyon. En remplaçant le silicate de sodium par un alcoxysilane, le tetramethoxysilane (TMOS), et en hydrolysant ce TMOS dans une solution de méthanol, produisit en effet un gel en une seule étape, appelé « alcogel » puisque le liquide remplissant les pores n’était autre qu’un alcool.

Cette technique a été petit à petit appliquée à d’autres précurseurs organométalliques conduisant à des aérogels minéraux autres que la silice (alumine, zircone, TiO2…). Dans les années 1990, elle a aussi été proposée pour la synthèse d’aérogels organiques issus de la polycondensation de résorcinol et de formaldéhyde. Des aerogels de carbone ont ensuite été obtenus par pyrolyse des aerogels organiques. L’attrait de la texture particulière des aérogels incite la communauté scientifique à les décliner dans une grande variété de compositions pour des applications qui touchent à des domaines aussi différents que peuvent l’être l’isolation thermique, l’électrochimie, la catalyse, la détection de particules, l’acoustique, le confinement des déchets nucléaires, l’astrophysique mais aussi les biosciences.

Dans la suite de cet article, sont traitées quelques propriétés des aérogels, qu’ils soient de type organique ou plus particulièrement de silice (oxyde simple), ces derniers ayant été les plus étudiés. Dans la dernière partie de l’article nous présenterons diverses applications de ces matériaux.

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KEYWORDS

insulation   |   aerogels   |   porosity   |   sintering

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-af3610


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1. Propriétés optiques

Les aérogels de silice, en raison de leur transparence, sont susceptibles de présenter des propriétés optiques d’intérêt dans le domaine du visible.

Les aérogels issus de réticulations organiques sont, pour la plupart, opaques. Les aérogels de résorcinol formaldéhyde, de très faible densité, de couleur rouge, sont légèrement transparents. Les gels de mélamine formaldéhyde sont transparents mais l’évacuation du solvant, lors de l’étape de séchage, a pour conséquence d’entraîner leur opacité.

1.1 Transparence

Un matériau transparent est un matériau qui transmet la lumière. Pour une bonne transmission, il faut, d’une part, que le matériau ne soit pas absorbant dans le domaine spectral considéré et, d’autre part, que la diffusion soit faible. Étant donné la faible densité des aérogels, l’indice de réfraction est relativement faible et l’on peut, en première approximation, négliger les pertes optiques par réflexion.

L’absorption de la silice amorphe dans le visible est faible. Le verre de silice est un verre utilisé en instrumentation optique. La silice est l’élément constitutif essentiel des fibres optiques utilisées dans les télécommunications. Son indice de réfraction est parmi les plus faibles des verres d’oxydes. Il est de 1,4585.

Dans les aérogels de silice, on peut dire que seule la diffusion limite la transmission de la lumière.

La transparence des aérogels est directement liée aux conditions de synthèse du gel. L’étape de séchage supercritique joue un rôle mineur puisqu’un gel de silice séché en milieu alcoolique ou à l’aide de CO2 présente quasiment la même transmission dans le domaine du visible (figure 1) . La transparence dépend essentiellement du pH de l’eau d’hydrolyse de la solution d’alcoxysilane initiale ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TEWARI (P.H.), HUNT (A.J.), LOFFTUS (K.D.) -   Ambient temperature supercritical drying of transparent silica aerogels.  -  Mater. Lett. 3, p. 363-7 (1985).

  • (2) - WOIGNIER (T.), DUFFOURS (L.), COLOMBEL (P.), DURIN (C.) -   Aerogels materials as space debris collectors.  -  Advances in Materials Science and Engineering vol. 2013, Article ID 484153, 6 pages.

  • (3) - TILLOTSON (T.M.), HRUBESH (L.W.) -   Transparent ultralow-density aerogels prepared by a two step sol-gel process.  -  J. Non-Cryst. Solids, 145, p. 44-50 (1992).

  • (4) - HENNING (J.), SVENSON (L.) -   Production of silica aerogel.  -  Physica Scripta. 23, p. 697-702 (1981).

  • (5) - POELZ (G.) -   Aerogel in high energy physics.  -  Aerogels, (aerogels), ed. J. Fricke, Springer-Verlag (Berlin), pp. 176-187 (1986).

  • (6)...

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