Matériau solide à géométrie fine, encore appelée matrice, renfermant des pores ou des cavités de petite taille et pouvant contenir une ou plusieurs fluides (liquide ou gaz).
Cette définition aboutit à la notion de milieu poreux. Une structure poreuse est dite fermée lorsque les pores ne sont pas reliés entre eux et sont inaccessibles à l’eau et à l’air puisqu’ils ne débouchent pas en surface, et ouverte lorsque les pores sont reliés entre eux, formant des canaux très fins.
Une structure poreuse ouverte rend possible :
- l'absorption d'eau, les matériaux sont dits capillo-poreux ;
- l’adsorption de la vapeur d'eau, les matériaux sont dits hygroscopiques [BE8251] ;
- le passage de l'air, les matériaux sont dits perméables à l'air ;
- les transferts de chaleur accompagnés dans certains cas de changement de phase.
Pour de nombreux matériaux poreux, les deux formes de porosité coexistent, ce qui oblige à deux définitions, celle de la porosité totale, qui tient compte des cavités occluses, et celle de la porosité accessible, ou espace poreux connecté, à travers duquel s’effectue l’écoulement des fluides [BE8250]. Un matériau poreux est également caractérisé par sa surface spécifique, sa tortuosité géométrique, et la distribution des dimensions de grains et de pores au sein du solide.
On trouve de nombreux exemples de matériaux poreux, naturels ou artificiels dans la vie courante :
- matériaux fibreux : laines minérales, cuirs, papiers,
- agglomérats granulaires : sable, isolants, revêtements routiers ;
- matériaux polymères : mousses synthétiques ;
- végétaux : paille, bois, liège, chanvre ;
- matériaux de construction : béton, brique ;
- et… plats et légumes déshydratés.
Dans le domaine de l’acoustique, les matériaux poreux sont utilisés pour réduire les nuisances sonores à des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 kHz. La structure du matériau permet une absorption d’une partie des ondes sonores grâce aux frottements visqueux du fluide sur la matrice et des échanges thermiques entre le fluide et la matrice [R6120].
Dans le domaine de la construction et du génie civil, la porosité des matériaux leur confère résistance et durabilité, dans des applications aussi diversifiées que le stockage des déchets nucléaires ou l’optimisation énergétique des habitats, jusqu’à se positionner comme protecteur de l’environnement et de la santé avec le solide hybride MOF (Metal-Organic Framework) qui stocke le CO2.
Les matériaux poreux contribuent également à des avancées considérables dans le domaine médical, les greffes de larynx artificiel ou les implants crâniens en titane poreux en sont une illustration.
Les milieux poreux sont omniprésents dans de nombreux domaines concernant les milieux naturels, manufacturés, ou biologiques. La modélisation des transferts de chaleur dans ces milieux nécessite la prise en compte de l’aspect multi-échelle, qui, dans cet article, sera limitée au passage de l’échelle du pore à une échelle macroscopique ou de Darcy. Les propriétés macroscopiques ou effectives (perméabilité, diffusion effective, etc.) sont décrites dans le texte pour l’essentiel des mécanismes de transferts de chaleur : conduction, convection et convection naturelle, transfert radiatif.
Les mécanismes de changement de phase sont présents dans de nombreux domaines: opérations industrielles de séchage, géothermie, échangeurs… Plusieurs modèles macroscopiques sont possibles: par exemple darcéen ou inertiel pour le bilan de quantité de mouvement, ou bien modèles équilibre local ou non-équilibre local pour le bilan d’énergie. Les teneurs en eau d’équilibre dépendent des effets capillaires et d’adsorption. Un modèle complet est complexe. Sous certaines conditions, un modèle de transport de l’eau sous la forme d’une équation de diffusion non linéaire peut constituer une bonne approximation. Cependant, les champs de saturation, température, concentrations, pression et vitesses sont souvent complexes, reflétant les divers mécanismes affectant le transport de l’eau.
Cet article présente les méthodes de caractérisation des matériaux poreux ou pulvérulents basées sur la porosimétrie au mercure. Les phénomènes physiques à la base de ces méthodes sont décrits et interprétés sur le plan thermodynamique. Les principales procédures expérimentales sont ensuite exposées en détaillant l’influence des conditions expérimentales sur les résultats obtenus. Ces derniers sont interprétés en prenant en compte la complexité des phénomènes capillaires, qui conduisent notamment à des hystérésis d’intrusion-extrusion, et l’influence des principaux paramètres qui interviennent dans les conditions expérimentales ou qui sont liés à la structure du solide. L’exploitation des données en termes de distribution de taille de pore, de porosité ou densité est détaillée et comparée à celles obtenues par d’autres techniques.
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