Mousse syntactique

Une mousse syntactique est un matériau composite cellulaire, constitué d'une matrice dans laquelle on a injecté des microsphères creuses, par exemple en verre[1]. Pour le cas d'une matrice polymère (« matière plastique »), on peut par exemple employer le polyépoxyde, le polyester, le polyuréthane ou le polypropylène. Ce matériau est utilisé dans certains véhicules maritimes, sous-marins, aérospatiaux et terrestres[2].
Une mousse syntactique métallique peut aussi être obtenue par métallurgie des poudres[3].

Mousse syntactique vue au microscope électronique à balayage, constituée de billes de verre dans une matrice de résine polyépoxyde.

Propriétés

Les mousses syntactiques ont deux avantages :

  1. la légèreté : en augmentant plus ou moins la proportion de microsphères, on peut obtenir une masse volumique approchant 600 kg·m-3 (bien plus léger que l'eau, dont la masse volumique est 1 000 kg·m-3) ;
  2. leur résistance aux hautes pressions isostatiques (de plusieurs centaines de bars, ce qui correspond aux pressions qui règnent sous l'eau à plusieurs kilomètres de profondeur).

Plus on augmente la proportion de microsphères, plus la masse volumique de la mousse syntactique obtenue est faible et plus la mousse est isolante. Cependant, elle est alors plus fragile (moindre résistance mécanique et à la pression). La présence de cavités (des microsphères) dans la matrice diminue fortement la résistance à des sollicitations autres que la compression[4] : ainsi les mousses syntactiques (comme toutes les mousses non élastiques, d'ailleurs) ne conviennent pas pour résister en traction ou en flexion. Des contraintes physiques peuvent être responsables de micro-dommages à la mousse[5]

Si leurs pores sont ouverts et le polymère transparent, elles sont plus fragiles, mais peuvent présenter des propriétés radiatives et d'absorption intéressantes pour certains usages [6].

Cependant si l'on ajoute des variations importantes de température aux variations de pression, la mousse peut se fracturer et les microbilles se remplir d'eau, ce qui dégrade les propriétés isolantes et d’allègement de la mousse[7].
Leur vieillissement et résistance à long terme fait l'objet d'études[8], notamment en condition de haute pression[7].

Des expériences récentes (publication 2017) ont consisté à renforcer la mousse par addition de 1% (en volume) de nano-plaquettes de graphène (GnP), de GnP traitées et de noir de carbone[9]. Cette mousse présente alors une résistance significativement améliorée en situation de flexion, traction, compression, cependant la charge de traction maximale lors des tests a diminué avec l'addition des nanoplaquette, alors qu'elle augmentait avec l'addition de noir de carbone[9].

Usages

Leurs principales propriétés (voir ci-dessus), et en particulier une conductivité thermique initiale d'environ 0,12 W.K-1.m-1 à 25 °C et à pression atmosphérique, les rendent utiles pour isoler thermiquement certains objets ou pour produire des objets flottants (bouées) rigides et continuant à flotter si accidentellement perforés. Elles constituent aussi certains éléments de ROV, jouant alors le rôle de flotteurs résistant à la pression et équilibrant l'engin.

Depuis les années 1980-90, on les utilise aussi pour isoler des engins sous-marins destinés aux grandes profondeurs (plusieurs milliers de mètres).

D'autres propriétés les rendent intéressantes pour l'isolation thermique de pipe-lines en régions froides, et de canalisations sous-marines en mer, dont pour les forages extrêmes dits « HP/HT » (haute pression/haute température)[10] Dans ces conditions extrêmes, les hydrocarbures remontés le sont à des températures atteignant 130 °C voire 180 °C et si leur température tombe ensuite sous 40 °C, leur viscosité diminue et ils forment des hydrates et des dépôts de paraffine. Les pétroliers veulent des mousses syntactiques capables de résister au moins une vingtaine d'années, par exemple pour isoler et protéger des pipeline en acier[11].

Des mousses syntactiques sont aussi utilisées pour absorber l'énergie de projectiles ou de chocs lors de la déformation dans certains types de blindages.

Notes et références
  1. Ruckebusch JM (1994) Microsphères creuses de verre pour mousses syntactiques. Ed. Techniques Ingénieur.
  2. Kartal M.E, Dugdale L.H, Harrigan J.J, Siddiq M.A, Pokrajac D & Mulvihill D.M (2017) Three-dimensional in situ observations of compressive damage mechanisms in syntactic foam using X-ray microcomputed tomography. Journal of Materials Science, 1-12
  3. Pandey S, Venkat A.N.C, Mondal D.P, Majumdar J.D, Jha A.K, Rao H & Kumar H (2016) Effect of Cenosphere Size and Volume Fraction on the Microstructure and Deformation Behavior of Ti-Cenosphere Syntactic Foam Made Through Powder Metallurgy Route. Materials Performance and Characterization, 5(1), 266-288 (résumé).
  4. Alvares de Arago EE (1986) Étude de l'endommagement par eau de composites, par des essais de choc en flexion (Doctoral dissertation) (notice Inist-CNRS
  5. Dan W (1987) Études micromécaniques de l'endommagement des mousses syntactiques (Doctoral dissertation, Châtenay-Malabry, École centrale Paris) (résumé).
  6. Doermann, D. (1995). Modélisation des transferts thermiques dans des matériaux semi-transparents de type mousse à pores ouverts et prédiction des propriétés radiatives (Doctoral dissertation) (notice Inist-CNRS)
  7. Gimenez N (2005) Vieillissement hydrolytique de mousses syntactiques époxyde-amine/verre pour l’isolation thermique sous hautes pressions: Mécanismes de dégradation et simulation de la prise en eau ; Thèse de Doctorat soutenue le 22 novembre 2005, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon)
  8. Brini A (2004) Modélisation multi-échelles du comportement et du vieillissement des mousses syntactiques immergées (Doctoral dissertation, Thèse Université Pierre et Marie Curie).
  9. Ciardiello R, Drzal L.T & Belingardi G (2017) Effects of carbon black and graphene nano-platelet fillers on the mechanical properties of syntactic foam. Composite Structures (résumé).
  10. Terdre N (2009) Syntactic foam wrap helps protect casings against HP/HT damage. Offshore, 69(3), 70-70.
  11. Bouslah M (2016) Élaboration et caractérisation d'une mousse syntactique à base de résine phénolique pour la protection de conduites en acier dans l'industrie pétrolière (Doctoral dissertation, Lyon) (résumé).

Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie
  • Ben Hamida A (1989) Étude micromécanique des mousses syntactiques (Doctoral dissertation, Paris 6) (résumé).
  • Borovinšek M, Taherishargh M, Vesenjak M, Ren Z & Fiedler T (2016) Geometrical characterization of perlite-metal syntactic foam. Materials Characterization, 119, 209-215 (résumé)).
  • Dan W (1987) Études micromécaniques de l'endommagement des mousses syntactiques (Doctoral dissertation, Châtenay-Malabry, École centrale Paris) (résumé).
  • John B, Reghunadhan Nair CP & Ninan KN (2007) Low-density phenolic syntactic foams: Processing and properties. Cellular polymers, 26(4), 229-244 (notice Inist-CNRS).
  • Kartal M.E, Dugdale L.H, Harrigan J.J, Siddiq M.A, Pokrajac D & Mulvihill D.M (2017) Three-dimensional in situ observations of compressive damage mechanisms in syntactic foam using X-ray microcomputed tomography. Journal of Materials Science, 1-12.
  • Lawrence E& Pyrz R (2001) Viscoelastic properties of polyethylene syntactic foam with polymer microballoons. Polymers & polymer composites, 9(4), 227-237 (http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=1057449 notice Inist-CNRS/résumé]).
  • Lawrence E, Wulfsohn D & Pyrz R (2001) Microstructural characterisation of a syntactic foam. Polymers & polymer composites, 9(7), 449-457 (résumé).
  • Lin H, Wang H.Y, Lu C & Dai L.H (2016) A metallic glass syntactic foam with enhanced energy absorption performance. Scripta Materialia, 119, 47-50.
  • Pandey S, Venkat A.N.C, Mondal D.P, Majumdar J.D, Jha A.K, Rao H & Kumar H (2016) Effect of Cenosphere Size and Volume Fraction on the Microstructure and Deformation Behavior of Ti-Cenosphere Syntactic Foam Made Through Powder Metallurgy Route. Materials Performance and Characterization, 5(1), 266-288 (résumé).
  • Seamark MJ. (1991) Use of syntactic foams of subsea buoyancy. Cellular polymers, 10(4), 308-321.
  • Vishwakarma A, Mondal D.P, Birla S, Das S & Prasanth N (2017) Effect of cenosphere size on the dry sliding wear behaviour LM13-cenosphere syntactic foam | Tribology International, 110, 8-22 (résumé).
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