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Propriétés thermiques des aérogels de silice

Propriétés thermiques des aérogels de silice

Les aérogels de silice sont des matériaux élaborés dès les années 30, dont certaines propriétés sont remarquables. Parmi celles-ci, leur pouvoir d’isolation exceptionnel – tant thermique qu’acoustique – en fait un matériau particulièrement attractif pour l’habitat. Cependant, sa relative difficulté d’élaboration ainsi que de mise en place, relativise à ce jour son utilisation à grande échelle.

Echantillon monolithique d'aérogel de silice de 70mm de diamètre Grains d'aérogel de silice de 1, 3 et 5mm de diamètre
Echantillon monolithique d’aérogel de silice de 70mm de diamètre Grains d’aérogel de silice de 1, 3 et 5mm de diamètre

Notre but est d’étudier numériquement et expérimentalement les transferts thermiques dans ces matériaux. L’étude numérique consiste dans une première étape à modéliser les transferts à échelle nanoscopique dans des structures complexes représentatives des aérogels. Notre apport a consisté à proposer des représentations périodiques basées sur des fractales déterministes de type flocons de Von Koch de différents ordres comme élément générateur. Cette représentation a l’avantage de maîtriser la distribution des porosités des aérogels et leur masse volumique. Une méthode d’homogénéisation permet ensuite de déterminer la conductivité thermique équivalente d’un échantillon à partir du champ thermique modélisé. Les résultats trouvés, en terme de conductivité thermique équivalente, sont tout à fait satisfaisants et valident notre proposition de représentation périodique.

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Pavage de flocons de Von Koch à l’ordre 4 utilisé pour la représentation structurelle
Pavage de flocons de Von Koch à l’ordre 4 utilisé pour la représentation structurelle

Dans un second temps, nous modélisons les transferts à l’échelle macroscopique dans des échantillons d’aérogels granulaires, forme la plus adéquate pour une utilisation comme isolant dans le secteur du bâtiment. Les grains macroscopiques sont considérés comme un matériau homogène de conductivité thermique égale à celle déterminée dans l’étude nanoscopique. Nous avons établi une méthode permettant la prise en compte de la résistance de contact entre grains, caractérisée par une surface de contact (établie d’après la loi de Hertz) et une conductivité de contact (issue de la résistance de contact).

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Empilements granulaires
Empilements granulaires

Ces résultats sont validés par des mesures expérimentales de conductivité thermique équivalente par la méthode du film chaud gardé. Un banc de mesure a été entièrement monté permettant la caractérisation de matériaux superisolants, à pression atmosphérique et sous vide. Les échantillons testés sont sous forme monolithique et granulaire. Les mesures ont validé de façon très satisfaisante les résultats numériques et confirmé le caractère exceptionnellement isolant des aérogels, avec des valeurs de conductivité pouvant atteindre 7 mW.m-1.K-1 sous vide secondaire.

Fiche descriptive du montage expérimental