Contribution À L’étude De La Perméabilité D’un Fluide À L’intérieur Des Matériaux Cellulaires

Résumé: Les matériaux cellulaires sont des matériaux constitués d'une matrice solide avec un vide interconnecté comme les éponges naturels. Ils sont d’une très grande importance dans notre vie industrielle. Les procédés de fabrication de ces matériaux cellulaires (appelés aussi mousses métalliques) sont très décisifs dans leurs emplois. Le thème de cette thèse est l’étude des transports de fluide à travers des matériaux cellulaires ce qui a poussé à créer nos propres mousses métalliques. L’amélioration du fameux procédé de réplication du sel a conduit à la création d’une nouvelle méthode de faire, baptisée : procédé de réplication par excès de sel (RES). Ce procédé est qualifié de simple, pratique et peu couteux. Il se résume en quatre principales étapes à savoir : fusion et infiltration du métal, pression par l’excès de sel, solidification et refroidissement de la matrice et en fin dissolution du sel. Il nécessite des métaux de bonne coulabilité sous effet de la pesanteur. Pour se faire deux alliages commercialement disponibles et dont la température de fusion est au-dessous de celle du sel (801°C) ont été choisis : le plomb antimonial à 25% d’Sb et le zamak 5 dont les températures de fusions sont autour de 450°C. Des particules de sel (NaCl) de taille uniforme sont pesées de façon à avoir un excès de sel qui sera comprimé à la fin de la fusion des alliages et l’infiltration de la porosité ouverte existante entre ces particules, par ces alliages liquides. La quantité de ces derniers est calculée de manière à ne pas dépasser l’excès de sel désiré. Cette compression par excès de sel permettra le contact des grains de sel et évités ainsi les agglomérations de sel non infiltrés par l’alliage fondues d’une part. Et la formation de porosité fermée d’autre part. Après solidification et refroidissement du métal, le sel est complètement dissout dans l’eau. Le résultat est une mousse métallique à porosité ouverte dont la structure réplique en détail le négatif de la préforme en sel. Des mousses régulières de densité et de taille de pore contrôlées sont ainsi produites. Les matériaux cellulaires obtenus sont des mousses métalliques à cellules ouvertes d’une porosité allant de 46% à 66% pour le Sb 25% Pb et de 58% à 65% pour le zamak 5. La taille de pore moyenne est variée de : 2 à 5mm pour le premier alliage et de 2.5 à 4.5mm pour le second. Afin de mieux connaitre les caractéristiques et les propriétés intrinsèques de ces matériaux cellulaires produits par ce procédé de fabrication, et proposer ainsi un emploi qui les convient ; différentes caractérisations ont eu lieu : perméamétrique, microstructurale, mécanique, électrochimique. Ces caractérisations nous ont permis de construire une excellente base de données expérimentale qui servira prochainement dans des modélisations numériques. Le flux d'air à travers les mousses RES produites par l'alliage de zamak 5 est étudié. Il a été établi que la loi régissant le flux d'air unidirectionnel à travers ces mousses était la loi cubique totale. La perméabilité et le coefficient d'inertie de cinq échantillons dont les diamètres des cellules sont compris entre 2,5 et 4,5 mm ont été calculés et une corrélation empirique a été ajustée. L’architecture de ces matériaux est caractérisée par microscopie électronique à balayage. La présence d’une couche fine autour des grains de sel dans les mousses du plomb 25% antimonial a guidé les recherches microstructurales vers une analyse qualitative et quantitative par MEB couplé avec EDAX avant et après élimination du sel. Aucun film n’a été remarqué dans les mousses en zamak 5 après rinçage du sel. La réponse électrochimique ainsi que la stabilité thermique d'une cellule reproduite en laboratoire, similaire à celle d'une batterie plomb-acide avec de l'acide sulfurique, ont également été étudiées (car ce type d’alliage Sb25%Pb est tant convoité dans ce domaine). La performance électrochimique des cathodes fabriquées à partir des mousses RES en plomb antimonial a été étudiée en tant que matériau cellulaire par rapport à une cathode fabriquée à partir de l'alliage dense de la même composition pour une amélioration possible du rendement électrique de ces batteries à travers l’emploi des mousses cellulaires dans ce domaine. Des essais mécaniques en compression sont réalisés dans le but d’évaluer le comportement des mousses RES de plomb antimonial à 25% en fonction de leurs paramètres microstructuraux. Les données obtenues ainsi que celles cités dans la littérature pour la contrainte réelle en fonction de la déformation réelle sont confrontées au modèle communément utilisé de Gibson-Ashby. Les propriétés mécaniques des mousses préparées par la méthode RES dépendent entièrement des dimensions des cellules et des propriétés physiques de l'alliage de la matrice.

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