Activites de recherche et formation doctorale

3.2.2 : Les super isolants granulaires [P2, T5]

Notre laboratoire avait mis en évidence le caractère « superisolant » de l'aérogel de silice à l'état de monolithe. D’autre part, il a été montré que les matériaux sous forme divisée (lits de poudre ou de grains) sont généralement moins conductifs thermiquement que les monolithes dont ils dérivent. De plus, ces performances sont accrues sous vide partiel ou poussé.

L'objectif principal de cette étude était donc de pouvoir cerner les conditions permettant à des matériaux pris sous une forme granulaire, et sous vide partiel ou poussé, d'offrir des conductivités thermiques inférieures à 10^-2 W.m^-1.K^-1.
Cela a été traité dans le cadre d’une thèse théorique et expérimentale sur la détermination de la conductivité thermique effective d'isolants poreux granulaires sous forme de lits de particules, en fonction de leur description géométrique et des caractéristiques optiques et physiques des grains élémentaires les constituant. Un modèle basé sur les phénomènes physiques au sein des lits de particules sphériques a été développé. Il a permis de s’affranchir de contraintes imposées par l’application de modèles exposés dans la littérature (notamment la nécessité de mesures expérimentales préliminaires). Il a également permis de prendre en compte un paramètre important de ce genre de structure : l’épaisseur du lit, par opposition aux modèles existants qui considèrent la conductivité des lits granulaires comme une valeur intrinsèque du matériau.
Les simulations et les mesures de validation ont porté sur des lits de particules sphériques de différents diamètres, de divers matériaux (verre ordinaire, acier inoxydable Z30C13, polystyrène expansé). Les résultats obtenus sont regroupés sur la figure suivante. L'appareil de mesure utilisé, le Ct-mètre, mis au point par le CSTB de Grenoble, est basé sur le principe du fil chaud, où l’échantillon est considéré comme un milieu semi infini. L’erreur de mesure liée à cet appareillage est estimée à 5%.


Figure 29 : conductivités effectives mesurées et simulées (Méthode de la sonde)
Un appareil de mesure spécifique a été conçu et construit en partenariat avec le laboratoire de Thermocinétique du CNRS à Nantes. Il nous a permis de mesurer la conductivité effective de différents lits de particules sphériques d’aérogels de silice, et de les comparer à la conductivité thermique de l’aérogel monolithique. Les figures suivantes donnent les principaux résultats obtenus. Nous pouvons y voir une comparaison entre des valeurs de conductivités mesurées d'un aérogel monolithique et celles calculées de deux lits de particules sphériques supposées issues du même aérogel, à température ambiante.
Au cours de ces simulations, nous n'avons fait varier que deux paramètres, le module de dureté des grains d'aérogel et leur émissivité. Ces paramètres ont une influence considérable dans le domaine des basses pressions. La conductivité des particules des lits est prise égale à celle du monolithe évoluant avec la même pression de gaz.


Figure 30 : conductivité effectives pour des monolithes et des lits de particules d’aérogels de silice à différents niveaux de vide.
Les comportements sont distincts sur trois zones de pressions :

• 
  à pression atmosphérique, nous pouvons constater que la variation de ces paramètres a peu d’influence sur la conductivité effective ;
  
• 
  dans le « régime de Knudsen », la granulométrie joue un rôle très important : les lits de faible granulométrie présentent des espaces interparticulaires favorisant une décroissance plus rapide de la conductivité du gaz ;
  
• 
  dans la zone des vides poussés, les modes de transfert de chaleur subsistant sont la conduction à travers les constrictions et le rayonnement.
  

L’analyse de ces résultats montre que pour des pressions de gaz comprises entre 100 et 10⁵ Pa pour les billes de 500 m, et entre 10³ et 10⁵ Pa pour celles de 50 m, les aérogels monolithiques présentent un meilleur comportement vis à vis de l'isolation thermique. Ceci s'explique par le fait qu'à ces pressions nous assistons à des mélanges entre une phase solide de faible conductivité, l'aérogel, et un gaz, l'air, de conductivité plus élevée. Par contre, vers les basses pressions, les échanges thermiques sont surtout dominés par les contacts entre particules (pour les diamètres considérés).

On peut donc noter que les aérogels de silice, sous forme de fines particules sphériques, permettent dans tous les cas de figure d’atteindre des conductivités effectives plus basses que 10^-2 W.m^-1.K^-1 pour des pressions inférieures à 500 Pa.
Ces travaux sont toujours d’actualité, car nous participons actuellement à un projet ANR dans le cadre du programme PREBAT dont le principal objectif est d’élaborer des composants d’enveloppe de bâtiment isolants à partir d’aérogels.