Bibliographie & annexes
Présentation
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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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)
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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
- Version archivée 1 de janv. 2005 par Laurent KOCON, Jean PHALIPPOU
DOI (Digital Object Identifier)
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Propriétés thermiques2. Propriétés mécaniques
L’utilisation, la manutention et la mise en place d’un matériau sont facilitées si l’on connaît préalablement ses propriétés mécaniques dites d’usage. Il faut aussi quelquefois usiner le matériau pour lui donner sa forme définitive. À côté de ses propriétés, il est aussi nécessaire de connaître sa réactivité vis-à-vis du milieu naturel et, dans le cas des aérogels de silice, sa réactivité vis-à-vis de l’eau contenue dans l’atmosphère environnante.
La détermination des propriétés élastiques des aérogels est réalisée soit par des techniques dynamiques, soit par des techniques statiques.
2.1 Propriétés acoustiques et vitesse du son
La propagation des ondes sonores dans un milieu isotrope conduit à la détermination des constantes élastiques C 11 et C 44 à partir des vitesses de propagation respectives des ondes longitudinales v L et transverses v T et de la connaissance de la masse volumique apparente :
Ces mesures sont réalisées par la méthode du pulse écho dans le domaine du mégahertz où l’onde est générée par un matériau piézoélectrique. La diffusion Rayleigh Brillouin permet d’accéder aux mêmes vitesses. Il est cependant nécessaire d’avoir un aérogel transparent, la résolution du spectromètre ne permettant pas les mesures dans les aérogels dont la densité est inférieure à 0,10 – 0,15.
Concernant les méthodes ultrasonores (domaine du mégahertz), la longueur d’onde acoustique est de l’ordre du millimètre. Puisque la taille moyenne des pores (10 à 20 nm) est très inférieure à la longueur d’onde acoustique, on peut assimiler l’aérogel à un milieu continu. Les vitesses du son mesurées sont comprises entre 50 et 300 m/s, c’est-à-dire inférieures à celle du son dans l’air. Ces faibles valeurs sont associées à la texture particulière des aérogels quelle que soit leur nature (silice, mélamine-formaldéhyde, résorcinol-formaldéhyde) ...
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Propriétés mécaniques
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).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Isolation thermique à température ambiante. Bases physiques.
-
Conductivité et diffusitivité thermique des solides.
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