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CHAPITRE VI MOUSSES OU SOLIDES CELLULAIRES

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MOUSSES OU SOLIDES CELLULAIRES

VI.1. Introduction Générale

Un matériau cellulaire, aussi appelé mousse solide, est un solide poreux dont les pores, ou

cellules, sont remplies d’une phase fluide et sont séparées les unes des autres par des parois

solides. Les matériaux généralement produits sous forme poreuse comprennent les oxydes tels

que l'alumine et la zircone ainsi que les carbures et les nitrures ‘ Ce sont des matériaux

céramiques’.

Selon le glossaire international d’hydrologie, la porosité peut être définie comme étant la

propriété d’un milieu, d’un sol ou d’une roche de comporter des pores, c’est à dire des vides

interstitiels interconnectés ou non. Elle peut être exprimée comme étant le rapport du volume

de ces vides au volume total du milieu.

La porosité est donc définie à la fois comme une propriété caractéristique d’un milieu poreux

et comme un paramètre qui l’exprime quantitativement (rapport de volumes, sans dimension).

D’après cette définition, il est possible de se représenter le défaut de porosité dans un matériau

composite comme étant de très petites cavités emprisonnant à priori de la matière gazeuse,

distingue deux catégories de pores :

a- les porosités ouvertes composées de vides inters communicants connectés à la partie

Extérieure du matériau et,

b- les porosités fermées, isolées à l’intérieur du matériau et ne permettant aucune perméa-

bilité.

Les pores pénétrants sont des pores ouverts qui ont la particularité de relier au moins deux faces

du matériau poreux.

Les nombreuses applications des matériaux poreux font appel à des tailles de pores qui

Peuvent varier de l’échelle atomique à l’échelle millimétrique.

Une classification des porosités avait préalablement été proposée. Celle-ci définit un micropore

(ou pore matricielle) comme une cavité de diamètre inférieur à 0,1 μm et une macrospore (ou

porosité structurale) comme une cavité de diamètre supérieur à 2,5 mm. Les méso porosités (ou

porosité texturale ou capillaire) sont donc les interstices de diamètre intermédiaire compris entre

0,1 μm et 2,5 mm. La porosité est donc un concept indépendant de la forme et des connexions

entre les pores.


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Seuls les volumes sont considérés. Néanmoins, il est important de signaler que pour les

matériaux composites, le concept de porosité correspond à des interstices de petites tailles

(ordre millimétrique et inférieur) par rapport aux fissures, diaclases ou délaminage

Les matériaux sont caractérisés par leur porosité, notée Φ mousse et définie comme le volume

de vide (ou de gaz) rapporté au volume total.

Les matériaux cellulaires peuvent être soit d’origine naturelle comme les os, ou encore des

petits organismes appelés diatomées ; le réseau poreux permet alors les échanges avec le milieu

extérieur, soit ils sont synthétisés. Ces derniers sont extrêmement répandus dans de nombreux

secteurs industriels comme l’automobile (sièges…), la sécurité passive (absorbeurs de chocs

dans les casques et les emballages), les revêtements (insonorisation et isolation thermique), la

filtration ... La complexité des structures et des textures rencontrées dans la nature (feuille de

lotus ou nids d’abeilles par exemple) est devenue une source d’inspiration pour la réalisation

de nouveaux matériaux. L’organisation des réseaux poreux peut être particulièrement élaborée,

notamment dans les systèmes naturels dans lesquels la porosité est très souvent hiérarchisée.

VI.2. Définitions

VI.2.1. Mousse liquide

Une mousse est une dispersion de bulles de gaz dans une phase liquide.

Une mousse est donc un système bi-phasique comprenant une phase gazeuse et une phase

liquide contenant les agents stabilisant l'interface air/eau. La principale caractéristique d'une

mousse liquide est sa stabilité.

VI.2.2. Mousse solide

Alvéole :

Petite cavité élémentaire entourée complètement ou partiellement par une paroi.

Les matériaux alvéolaires sont constitués d’un squelette de matériau entourant les alvéoles

fermées ou partiellement ou totalement ouverts sur les alvéoles voisins ou sur l’extérieur.

Les mousses ou les matériaux alvéolaires résultent de la volonté d’introduire de façon

maitrisée une certaine proportion de vides dans le but :

• d’augmenter la souplesse. (Mousse pour l’ameublement).

• d’améliorer le caractère isolant, thermique ou phonique. (Mousse pour le bâtiment).

• de rendre le matériau amortissant. (Mousse d’emballage).

• d’alléger le matériau en lui conservant des propriétés structurelles.


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De manière très générale les matériaux cellulaires sont des matériaux qui présentent une

porosité supérieure à 70%. Cette frontière n’est ́ évidemment pas stricte mais permet de donner

un ordre de grandeur. Ce type de matériau se retrouve très communément dans la nature :

a-Cellule ou alvéole fermé :

C’une cavité totalement close par sa paroi ne communiquant pas avec d’autres alvéoles

ou avec l’extérieur.

b-Pore ou alvéole ouvert :

C’est une cavité non totalement close par sa paroi.

c-Matériau poreux ou spongieux :

Matériau dans lequel la majorité des alvéoles sont des pores qui communiquent entre eux

à travers toute la masse, ainsi avec l’extérieur. Os, bois, liège, éponge, corail, mais également

dans les produits alimentaires : pain, meringue, mousse au chocolat.

Non fissurée

Deux types de structures

1. Micro-nids d’abeilles : structures composées de cellules « tubulaires », illustrées sur la figure

3(a), de diamètre de l’ordre de 100 μm.

2. Assemblages de sphères creuses : empilements de sphères creuses assemblées entre elles,

illustré sur la figure 3(b). Les sphères ont un rayon de l’ordre du mm et une épaisseur de l’ordre

de quelques dizaines de μm.


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Fig. 3. (a) Micro nids d’abeilles (b) Empilement de sphères creuses.

Fig.3 (c)Morceau de mousse synthétique : empilement de sphères creuses

Les mousses polymères appartiennent à la famille des mousses solides qui sont des matériaux

Polyvalents, largement utilises dans un grand nombre d'applications telles que l'automobile,

l'emballage, produits de sport, isolants thermiques et acoustiques ou l'ingénierie tissulaire.


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Composées de bulles d'air piégées dans un réseau continu solide, elles allient les propriétés du

polymère avec ceux de la mousse pour créer un matériau intéressant et complexe. L'intégration

d'une mousse dans un réseau de polymère permet non seulement d'utiliser la vaste gamme de

propriétés intéressantes offertes par les polymères, mais permet aussi de profiter des propriétés

avantageuses des mousses telles que la légèreté, la faible densité, la compressibilité et un

rapport surface/volume grande surface élevé.

Ces matériaux sont au cœur des dernières applications de haute technologie grâce à leurs

innombrables qualités, ce qui conduit en parallèle à un nombre croissant de questions

fondamentales qui cherchent une meilleure compréhension de leurs propriétés.

En général, les propriétés des mousses polymères sont fortement liées à leur densité et leur

structure (la taille des bulles, l’arrangement des bulles dans l’espace, la structure des cellules

ouvertes ou fermées). Le contrôle des propriétés finales de ces mousses est donc régi par le

contrôle de sa densité et sa structure. Les mousses de faible densité, par exemple, ont une

bonne absorption d'énergie et sont donc utilisées dans la fabrication de rembourrage et

d'emballage. La conductivité thermique se trouve réduite lorsque la taille des bulles diminue

en raison de la suppression de la convection dans le gaz piégé à l'intérieur des bulles. Les

mousses à cellules ouvertes ont un taux d’absorption élevé et sont utilisées comme des

éponges.

Avoir une bonne maitrise des propriétés de la mousse ne peut être obtenu qu’en contrôlant

d’abord sa densité et sa structure.

A. Matériaux constitutifs et matériaux cellulaires polymères

A.1.Produits constitutifs et élaboration d’une mousse polymère

Dans le cas de notre étude, les mousses étudiées sont des mousses de polyuréthanes

thermodurcissables. Nous allons donc dans un premier temps présenter les principales

aractéristiques de ce polymère avant de s’intéresser au procédé de moussage et à la

caractérisation des mousses.


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A.1.1 Polyuréthanes

Les polyuréthanes présentent la particularité de faire partie des seuls produits plastiques que

les transformateurs préparent directement à partir des monomères ou de pré-polymères. Ils

résultent de la réaction chimique d’un polyisocyanate avec des groupements comportant un

hydrogène mobile, principalement des groupes hydroxyles dits également polyols.

La réaction de polymérisation de l’uréthane demande un certain nombre de réactifs, dont les

principaux sont les suivants :

- polyols

- isocyanates

- agents d’expansion

- catalyseurs

- tensioactifs ou silicones

- réticulant

- agents ignifugeants ou retardant

- autres additifs

- agent de démoulage

Les matériaux qui les constituent sont appelés matériaux constitutifs et sont très variés. On

trouve des matériaux cellulaires polymères, céramiques et métalliques. Leur importante


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porosité fait des matériaux cellulaires des structures légères, ce qui représente un de leurs

principaux attraits. La matière qui les constitue s’organise selon une structure et une

architecture particulière qui permet de classer les matériaux cellulaires en différentes « familles

». On établit deux grandes classes principales :

A.1.2. Procédé de fabrication

Les matériaux cellulaires polymères se distinguent principalement en deux catégories qui sont

les mousses souples, à cellules ouvertes, et les mousses rigides, à cellules fermées. Les

procédés de fabrication ne sont pas les mêmes. Dans le cas de notre étude, les mousses étudiées

seront des mousses rigides hautes densités. Ces mousses rigides peuvent être élaborées de

plusieurs manières : on distingue deux procédés couramment utilisés qui permettent d’obtenir

des mousses en blocs, en panneaux continus ou in situ.

Mousse en bloc.

Les mousses en bloc comme celles de cette étude sont obtenues à partir de machines de

coulée à basse pression. Les produits sont stockés dans leurs réservoirs thermostatés, une

pompe doseuse à engrenage délivre la quantité souhaitée pour chacun des produits et un

agitateur mécanique homogénéise le mélange, puis celui-ci est coulé sur un convoyeur.

Hauteur et largeur des panneaux sont fixées par des gabarits sur le convoyeur, et les panneaux

sont coupés à la longueur voulue en bout de chaîne.

Mousses en panneaux.

Les mousses en panneaux et in situ sont obtenues par des machines de coulées à haute

pression. Elles contiennent des bacs de stockage où sont respectivement déposés le polyol et

l.isocyanate. La circulation et le dosage des composants sont assurés par des pompes à piston.

Cette technique permet un mélange optimal des composants et un écoulement linéaire du

mélange réactionnel à la sortie de la chambre de mélange.

La masse volumique des mousses rigides varie de 10 à 800 kg/m3. La rigidité des mousses

vient des cellules fermées à 90-95%. Suivant la densité du produit final, l’expansion sera de

1.5 à 120 fois le volume initial. Les mousses rigides ont d’excellentes propriétés d’isolation

thermique dans une large plage de température.


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VI.3.1 : APPLICATION DES MATERIAUX MOUSSEUX

Les mousses, dispersions concentrées de bulles de gaz séparées par des films liquides minces,

sont des systèmes complexes, multi-échelles, hétérogènes, à structure topologique désordonnée

mais organisée, et où les phénomènes se produisant aux interfaces jouent un rôle majeur. Les

mousses ont deux qualités essentielles qui les rendent toujours plus recherchées tant pour des

usages industriels que quotidiens. D'une part, elles occupent un très grand volume et

développent une surface spécifique considérable pour une très faible fraction de liquide. D'autre

part, bien que constituées uniquement de fluides, elles ont des propriétés mécaniques

remarquables d’élasticité, de plasticité ou de viscoélasticité.

Les applications des mousses se développent tous les jours. Citons : les produits alimentaires

allégés, les mousses utilisées comme vecteurs de principe actif en médecine, les matériaux

alvéolaires tels que les mousses métalliques, organiques, céramiques, etc. La faible fraction de

liquide pour un grand volume de mousse fait rechercher les mousses pour résoudre des

problèmes environnementaux, par exemple pour l'extraction pétrolière, la décontamination des

sols pollués et celles des installations nucléaires, etc.

VI.3.1 Exemples d'applications mousses métalliques

Les mousses métalliques donnent des idées, voici un certain nombre d'applications dans

lesquelles le nouveau matériau "musse métallique" à cellules de Kelvin (mousse à pores

ouvertes) apporte des solutions performantes.

Dans les différents exemples, des mousses d'aluminium, cuivre ou acier peuvent être utilisées.

a-Domaine de la mécanique-Le Crash :L'application principale des mousses métalliques

a été depuis le début celle du crash, les mousses métalliques à cellules de Kelvin n'échappe pas

à cette règle. L'intérêt majeur de cette mousse est la réaction homogène de la mousse dans

plusieurs directions à un choc comme le montre la figure VI.4.


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Figure VI.4 Graphe réaction homogène de la mousse de Al17Mg.

b-amortissement de vibrations mécaniques et phoniques

Dans la même idée que le crash, la mousse métallique peut servir d'insert pour l'injection de

polymère. Le bi matériau ainsi créé peut devenir un élément de suspension avec à la fois les

avantages des élastomères et ceux des mousses métalliques comme le montre la figure VI.5

Figure VI.5 Exemple de bimatériau élaboré : élastomères et mousses métalliques.

Egalement, en choisissant correctement le deuxième composant, il est possible d'avoir un très

bon amortissement phonique.

c-Domaine de la thermique

Les mousses métalliques développent une surface interne qui est intéressante, de plus les formes

internes augmentent les performances du transfert thermique.

En thermique, les applications dans lesquelles les mousses métalliques performantes sont

nombreuses, voici quelques exemples : fabrication des composantes électroniques (fig.VI.6).


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Figure VI.6 Exemple d’application des mousses : fabrication des composants électronique

La mousse joue le rôle des ailettes pour transmettre la chaleur à l'air, les grosses ailettes

permettent d'homogénéiser la température dans la pièce.

Figure VI.7 Ailette pour transmettre.

VI.3.2 Polymérique Applications

Chauffage et de refroidissement des coûts se montent à environ 56 pour cent de l'énergie utilisée

dans la maison moyenne américaine, selon le Département américain de l'énergie. La nature de

la chimie permet polyuréthanes à être adaptés pour résoudre des problèmes difficiles, à être

moulé dans des formes inhabituelles et pour améliorer les produits industriels et de

consommation. Étant donné qu'une variété de discyanates et d'une large gamme de polyols peut

être utilisée pour produire du polyuréthane, une large gamme de matériaux peut être produite

pour répondre aux besoins des applications spécifiques.


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a-Appareils

Les appareils polyuréthanes sont un élément important dans les grands appareils que les

consommateurs utilisent tous les jours. L'utilisation la plus courante pour les polyuréthanes dans

les principaux appareils est mousses rigides pour le réfrigérateur et les systèmes d'isolation

thermique congélateur. Mousse de Polyuréthane rigide est un matériau essentiel et rentable qui

peut être utilisé pour répondre aux évaluations énergétiques nécessaires dans les réfrigérateurs

et les congélateurs Consommateurs. Les bonnes propriétés d’isolation thermique des mousses

de polyuréthane rigides résultent de la combinaison d'une amende, la structure de mousse à

cellules fermées et cellulaires gaz qui résistent le transfert de chaleur

b-Automobile

Polyuréthanes sont utilisés dans les voitures. En plus de la mousse qui rend les sièges d'auto

confortable, pare - chocs, de l’intérieur des sections de plafond "de titre", la carrosserie, spoilers,

portes et fenêtres tous les polyuréthanes d'utilisation. La figure VI.8 montre un exemple

d’application des mousses.

Polyuréthane permet également aux fabricants de fournir aux conducteurs et au passager

beaucoup plus automobile « kilométrage" en réduisant le poids et l’augmentation de la

consommation de carburant, le confort, la résistance à la corrosion, l’isolation et l’absorption

acoustique.

Figure VI.8 : Gros volant en mousse.


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c-Médicine

Polyuréthanes sont couramment utilisés dans de nombreuses applications médicales, y compris

le cathéter et la tubulure à usage général, de la literie de l’hôpital, les draps chirurgicaux, des

pansements et une variété de dispositifs de moulage par injection. Leur utilisation la plus

courante est dans les implants à court terme. L’utilisation de polyuréthane dans les applications

médicales peut être plus rentable et assurer une plus grande longévité et la ténacité. La figure

VI.9 montre un exemple d’application des mousses comme rembourrage pour rééducation.

.

Figure VI.9 Rembourrage pour rééducation en mousse.

Emballage

Mousse d'emballage en polyuréthane (PPF) peut fournir plus rentable et ajusté de rembourrage

que la protection unique et en toute sécurité les éléments qui ont besoin de rester en toute

sécurité en place pendant le transport. PPF est largement utilisé pour protéger et transporter de

nombreux éléments, tels que les équipements de diagnostic électronique et médical, la verrerie

délicate et de grandes pièces industrielles en toute sécurité. Une solution sur site polyvalent

pour de nombreux défis d'emballage, PPF peut gagner du temps et être plus rentable en

fournissant un récipient en forme sur mesure avec chaque envoi.

Figure VI.10 Emballage calage mousse pour la protection des pièces fragiles.


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VI.5 Caractérisation des matériaux mousseux

L’étude du comportement des matériaux poreux est devenue un sujet de recherche important,

suite à l’intérêt croissant de la part des industriels du fait de leurs caractéristiques : faible

densité, bonne isolation thermique et électrique, et une surface spécifique élevée. En effet,

les mousses polymériques sont le résultat de la volonté d’introduire de façon à maitriser, une

certaine proportion de cavités dans un squelette de matrice en polymère. Ceci dans le but :

– d’alléger le matériau,

– d’améliorer le caractère isolant, thermique ou phonique (mousses pour le bâtiment),

– de rendre le matériau amortissant (mousses d’emballage).

Sous compression, les mousses montrent un mécanisme de déformation caractéristique.

Initialement, la déformation est homogène et la courbe de réponse force élongation est

presque linéaire. Puis, on observe un écrasement progressif des cellules par flambement des

arêtes.

Du point de vue macroscopique, cela correspond à une localisation des déformations en

bandes orthogonales par rapport à la direction de la compression. A ce stade, la courbe force

élongation montre un long palier.

Eux ceci Lorsque toutes les couches des cellules sont écrasées, les arêtes sont en contact

entre donne une augmentation de la résistance et la courbe de réponse montre une deuxième

branche ascendante.

VI.5.1 Les mousses polymériques

La modélisation du comportement des mousses en général, se fonde sur deux approches :

une modélisation micromécanique basée sur des études numériques, et une modélisation

macro mécanique qui utilise les outils de la mécanique des milieux continus. Avec la

Première approche, on cherche à relier le comportement des mousses sous compression aux

caractéristiques de leur microstructure. Pour cela, on analyse la microstructure, à l’aide

d’instruments optiques, afin de déceler une forme géométrique répétitive des cellules (cellule

de base). La mousse est schématisée comme un assemblage périodique de poutres qui

ressemble le plus possible à la cellule de base. La localisation des déformations est décrite

comme un effondrement par flambement des poutres. Pour obtenir une reproduction

convenable des courbes expérimentales, il faut considérer des assemblages complexes de

poutres, qui demandent l’emploi de codes de calcul par éléments finis. A notre connaissance,


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les travaux qui utilisent cette approche sont limités à l’´etude du comportement sous

chargement monotone.

Une modélisation macro mécanique des mousses peut être obtenue ou dans le contexte de la

mécanique des matériaux poreux, qui se base sur les travaux de Biot, ou dans le contexte de

la théorie des mélanges. Dans ce dernier cas, la mousse est décrite comme un assemblage de

deux matériaux continus : un squelette solide et un fluide. La microstructure d’une mousse

est représentée sur la figure VI.11

Figure VI.11 Exemples de microstructures d’une mousse : (a) polyuréthane à porosité ouverte;2

(b) polyéthylène à porosité fermée ; (c) polyéther à porosité ouverte et fermée.

a-Effet de la structure (ouverte ou fermée)

Pour le même matériau, la structure de la mousse influe sur le comportement en compression.

Les structures fermées (mousses) présentent généralement des valeurs supérieures à celles

fermées (éponges). La valeur de contrainte du plateau reste pilotée principalement par densité

relative de la mousse.

b-Effet de la nature du matériau

Le matériau constitutif de la mousse influe fortement sur le type du comportement fragile ou

ductile, ainsi que sur les caractéristiques attendues .Un effet d’anisotrope sur les directions

comportement sous compression des mousses d’abord, on considère le comportement des

mousses à porosité ouverte de polymère thermoplastique, (Fig. VI.12.a). Si l’on regarde la

courbe `a la charge (courbe pleine) montrée sur la figure VI.12, on peut distinguer trois régimes

: une première branche ascendante presque linéaire (régime linéaire), suivie par un palier à force

presque constante (régime plateau), et enfin une seconde branche ascendante (régime de

densification).


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c-Effet de la température

Une augmentation de température est en général associée à divers effets qui accroissent le

désordre moléculaire et entraînent une adsorption superficielle et une cohésion latérale

moindres. Ces effets peuvent donc contrecarrer une excessive cohésion et la formation de films

trop rigides et trop peu élastiques. De ce fait, un excellent agent moussant à 25°C, possédant

une chaîne linéaire dodécyle, ne le sera plus à 60°C, température à laquelle l’emploi d’une

chaîne hydrophobe plus longue comme une chaîne hexadécyle, et même stéarique ou oléique

près du point d’ébullition [Jean Louis Chaboche], est recommandé comme le montre la (fig.

VI.12).

Figure VI.13 Propriété essentielles des mousses.

VI.5.2 Comportement sous compression des mousses (fig. VI.14)

On montre les courbes force élongation sous compression uniaxiale pour différents types de

mousses trouvées dans la littérature.

D’abord, on considère le comportement des mousses à porosité ouverte de polymère

thermoplastique, Fig. VI.14.a. Si l’on regarde la courbe à la charge (courbe pleine), on peut

distinguer trois régimes : une première branche ascendante presque linéaire (régime linéaire),

suivie par un palier à force presque constante (régime plateau), et enfin une seconde branche

ascendante (régime de densification). La particularité de la courbe de réponse est le long palier,

qui permet d’atteindre des déformations de 50-70 %. Lors de ce régime, on observe une

distorsion du squelette de la mousse à cause du flambement des arêtes des cellules. Du point de

vue macroscopique, le flambement des arêtes produit une localisation des déformations en

bandes orthogonales à la direction de la compression.


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Lors de l’augmentation de la déformation imposée le nombre des bandes de déformation augmente

jusqu’au complet effondrement de la mousse. A ce stade, les arêtes des cellules sont en contact les

unes avec les autres, tous les vides sont remplis, et si l’on continue à comprimer la mousse, la

résistance augmente rapidement (régime de densification).

A la décharge (courbe en pointillés sur la Fig. VI.14.a), la courbe de réponse ne suit pas le même

chemin, et un cycle d’hystérésis d’amplitude très importante se forme.

L’aire du cycle d’hystérésis mesure l’énergie dissipée dans le processus de charge et décharge. Un

cycle d’hystérésis important permet une grande absorption d’énergie.

A la fin de la phase de décharge, on observe une petite déformation résiduelle. Donc, une autre

particularité du comportement de ce type des mousses est d’atteindre des grandes déformations qui

peuvent être presque entièrement récupérées lorsque la charge est enlevée.

Pour les mousses à porosité fermée de polymère thermoplastique (Fig. VI.14. b), on observe un

palier avec une pente positive (fig. VI.14.b). Celle-ci est attribuée à la présence du gaz, qui est pris

au piège dans les cellules. Dans ce cas, un cycle d’hystérésis est également observé à la décharge.

Les courbes de réponse des mousses métalliques à porosité ouverte comme à porosité fermée

montrent à la charge le même comportement à trois branches, Voir (Fig. VI.14.c), d. Mais, la

valeur de la force au palier est supérieure de trois ordres de grandeur à celle des mousses

polymériques à porosité ouverte. D’autre part, la (Fig. VI.14.f) montre que les comportements

à la décharge sont très différents. En effet à la décharge, on suit une courbe presque verticale,

et on observe une déformation résiduelle importante. Ce comportement est attribué à la

plastification des jonctions des arêtes des cellules lors du régime plateau. Enfin, si l’on

considère les courbes de réponse des mousses de polymère thermodurcissable

ou de céramique, on n’observe que les deux premiers régimes.


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Figure VI.14 : Comportement sous pression des différents types de mousses (a) mousse de polymère

thermoplastique à porosité ouverte ; (b) mousse de polymère thermoplastique à porosité fermé ; (c)

mousse d’aluminium à porosité ouverte ; (d), (f) mousse d’aluminium à porosité fermée ; (e) mousse de polymère thermodurcissable.

VI.6 Caractérisation de mousses métalliques

Les essais mécaniques ont été réalisés à vitesse de déformation constante, jusqu’à ce que

l’échantillon atteigne la phase de densification. La figure VI.14 illustre l’allure de l’essai de

compression de l’échantillon. Cette figure met en évidence trois domaines dont le premier

correspond au domaine élastique qui est contrôlé par la compression des arêtes et des parois. Le

domaine linéaire, caractérisé par un module d’Young apparent E*, est parfois difficile à mettre en

évidence sur ce type de courbe, en raison notamment d’un régime de réarrangement au début de

l’essai de compression. Le deuxième domaine, le plateau de compression correspond à

l’effondrement progressif des cellules. Le troisième domaine, lorsqu’il n’y a plus de place pour

l’effondrement des cellules, des contacts entre les brins s’opèrent et entre alors dans un régime de

densification.

Figure VI.15 comportement d’une mousse métallique sous pression.


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a-Compression: performances

Absorption d’énergie

Objectifs : - limiter la décélération subie par les occupants

- maximiser la dissipation d’énergie

W = ∫ F× dL = W max=V0 app × deapp = V0×W

En tenant compte de la masse

b-Compression performance Particularité du comportement à la compression

La mousse présente un plateau correspondant à une absorption d’énergie à faible contrainte et de

déformation comme le montre la figure VI.15. Cette figure illustre que l’énergie dissipée en (j)

peut être assimilée à l’aire sous la courbe de compression.

Pour les applications en absorption d’énergie :

. Un plateau le plus constant possible

. Un pic initial le plus faible possible

Figure VI.16 Courbe contrainte-déformation obtenues au cours de l’essai de compression

uniaxiale sur l’échantillon.

c-Absorption d’énergie

L'absorption d'énergie d'une mousse métallique peut être déterminée par des essais de

compression. Sur la figure VI.16, la courbe force-déplacement d'une mousse métallique en


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compression, est illustrée l’absorption et l’efficacité des mousses. La quantité d'énergie absorbée

est l'intégrale de la force de compression par la distance de compression. Pour effectuer une

comparaison des différents matériaux comme les absorbeurs d'énergie, la mesure de « l'efficacité

» est utilisée. A déformation définie, l'efficacité est le quotient de l'énergie absorbée par le produit

de la force maximale et la durée de déformation.

Figure VI.17 Energie d’absorption et efficacité des mousses.

La forme caractéristique de la courbe de l’essai de compression d’une mousse d’aluminium

comporte trois zones principales :

• Une première phase élastique linéaire, limitée aux faibles déformations.

• Une deuxième phase de plateau zone d’absorption d’énergie.

• Une troisième de phase de densification caractérisée par une forte hausse de l’effort.

Cette figure montre clairement que plus l’éprouvette utilisée est élancée plus le plateau est étendu

d- Caractéristiques clés

E α2*ES (ρ/ρS)n

G3/8*α2*GS (ρ/ρS) n

Et =0.3 ou n est une valeur comprise entre 1.8 ≤ n ≤ 2.2 et 0.1 ≤ αs ≤ 4 ; ces valeurs dépendent

de la structure de la mousse.


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VI.7 Rhéologie des mousses

VI.7.1 Propriétés essentielles des mousses

Sous l’application d’une contrainte faible, la mousse se comporte comme un solide. On lui attribue

un module élastique G, le quel est fonction de la taille des bulles et de l’humidité. Par exemple,

pour une mousse détergente, ce module est de l’ordre de 10 Pa, alors qu’il est de 8 · 1010 Pa pour

l’acier. La valeur du module élastique pour la mousse détergente est faible, car il s’agit d’une

propriété de surface due à la tension superficielle. Si on applique des contraintes suffisamment

grandes, des changements topologiques se produisent, qui ne sont plus immédiatement réversibles.

La mousse devient progressivement plastique.

Au-delà d’un seuil de contrainte τy , la mousse se comporte comme un liquide, elle « coule » . Ce

seuil de contrainte est également fonction de la taille des bulles et de l’humidité de la mousse.

Pour les mousses sèches, le seuil de contrainte est du même ordre de grandeur que le module

élastique. Pour les mousses humides, il est beaucoup plus faible.

Ce comportement viscoplastique (de fluide à seuil) peut être décrit par le modèle de Bingham :

≤y : η→

y :=y +ηp*

avec η (Pa · s) viscosité, τ (Pa) contrainte de cisaillement, (s–1) vitesse de cisaillement,

ηp (Pa · s) viscosité plastique.

Souvent, les rhéologues préfèrent utiliser la notion de viscosité effective (non newtonienne) ηeff,

qui s’exprime de deux façons équivalentes, l’une en fonction de la contrainte l’autre en fonction

de la vitesse de cisaillement (fig. VI.18-b) :

La figure VI.18 représente ces deux équations en coordonnées logarithmiques. En réalité, le

modèle de Bingham ne tient pas compte du phénomène de grossissement (vieillissement ou

mûrissement) généralement émaillé de réarrangements en cascade, qui a tendance à faire

disparaître le seuil de contrainte ou, à tout le moins, faire en sorte qu’il ne subsiste qu’un seuil de

contrainte apparent.


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Figure VI.18 : Représentation schématique de la viscosité effective des mousses selon le modèle

viscoplastique.

VI.7.2 Caractérisation rhéologique

- visqueuse des mousses

La caractérisation rhéologique des mousses est loin d’être triviale, principalement en raison de leur

stabilité temporelle relativement limitée. Il convient en fait de restreindre cette caractérisation à la

période qui suit immédiatement la formation de la mousse, période au cours de la quelle les

changements ne sont pas trop significatifs. Une alternative consiste à utiliser des émulsions « huile

dans eau » très concentrées, d’ailleurs appelées mousses bi liquides.

En effet, l’huile ne diffusant que très faiblement dans l’eau, ces émulsions très concentrées sont

particulièrement stables.

Des différences subsistent cependant, comme la dissipation visqueuse, absente dans les bulles, la

compressibilité, absente dans le cas des émulsions, et également la taille des objets dispersés,

inférieure dans le cas des émulsions. De plus, la caractérisation rhéologique est compliquée par

des phénomènes de glissement au contact des parois solides des appareils de mesure. Enfin, la

plupart des mousses possèdent des bulles dont la taille est souvent supérieure au millimètre ; en

conséquence, les géométries conventionnelles, telles que les géométries cône-plan, plan-plan et

cylindres concentriques, pour lesquelles les entrefers sont de l’ordre de 1 à 2 mm, ne sont pas

vraiment appropriées. En revanche, l’utilisation de tubes cylindriques ayant un diamètre intérieur

supérieur ou égal à 10 mm est recommandée.

Compte tenu de ce qui vient d’être évoqué et des phénomènes de grossissement (ayant tendance à

réduire le seuil de contrainte apparent) qui génèrent des évolutions temporelles et spatiales, un

temps de résidence relativement court dans les tubes cylindriques est requis.

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MOUSSES OU SOLIDES CELLULAIRES - stage.univ-sba.dz