Mousse métallique

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Mousse régulière[1].
Mousse d'aluminium.

Une mousse métallique est une structure alvéolaire constitué d'un métal solide, souvent en aluminium, contenant un volume important de gaz (des pores remplis). Les pores peuvent être scellés (mousse à cellules fermées), ou ils peuvent former un réseau interconnecté (mousse à cellules ouvertes). La principale caractéristique de mousses métalliques est une porosité très élevée: en général 75-95% du volume. Ce qui rend ces matériaux ultralégers. La force de mousse métallique possède une relation de loi de puissance de la densité, ainsi un matériau dense à 20% est plus de deux fois plus robuste que le même matériau dense à 10%.

Les mousses métalliques en général conservent certaines propriétés physiques de leur matériau de base. Les mousses à base métal de non-inflammable resteront non inflammable et la mousse est généralement recyclable, ceci dû à son matériau de base. Coefficient de dilatation thermique restera également similaire alors que la conductivité thermique sera probablement réduite[2].

Il est possible de classer les mousses selon plusieurs caractéristiques, les deux les plus importantes sont l'architecture du pore (stochastique ou régulier) et le type de pore (ouvert ou fermé).

Mousse à pores ouvertes[modifier | modifier le code]

Mousse à pores ouverts.
CFD (simulation numérique) de l'écoulement et des transferts de chaleur couplés dans une mousse métallique à pores ouverts.

Les mousses à pores ouvertes peuvent être obtenus pas plusieurs moyens. Les plus connus sont jusqu’à maintenant les mousses qui sont des mousses de réplications utilisant des mousses de polyuréthane à cellules ouvertes. Les domaines d’applications sont très vastes comme les échangeurs de chaleurs compacts (refroidissement de composants électronique, échangeurs de chaleur PCM), l'absorption, la diffusion de flux optique et légers. En raison du coût élevé de la matière dont elle est le plus souvent utilisé dans la technologie de pointe, de l'aérospatiale et de la fabrication. Extrêmement fine échelle mousses à cellules ouvertes, avec des cellules trop petites pour être visibles à l'œil nu, sont utilisés comme filtres à haute température dans l'industrie chimique. Les mousses métalliques sont utilisés dans le domaine des échangeurs de chaleur compacts pour augmenter le transfert de chaleur au prix d'une chute de pression supplémentaire. Cependant, leur utilisation permet une réduction substantielle de la taille physique d'un échangeur de chaleur, et si les coûts de fabrication. Pour modéliser ces matières, la plupart des œuvres utilise des structures idéalisées et périodique ou moyenne propriétés macroscopiques[3],[4],[5].

Fabrication des mousses à pores ouvertes[modifier | modifier le code]

Les mousses métalliques à pores ouverts, appelées aussi éponges métalliques, peuvent être fabriqués par plusieurs voies, notamment par fonderie ou la métallurgie des poudres. Dans la fabrication par poudre, les porteurs dits spatiaux sont nécessaires: comme leur nom l'indique, ils vont donner de l'espace pour les pores ouverts et les canaux au cours ou à la fin du processus de prise de mousse. Dans les procédés de moulage, il existe deux méthodes: - Celles des mousses de réplications qui sont faites par des répliques de mousses de polyuréthane à cellules ouvertes utilisées comme un squelette. - Les mousses obtenues par moulage direct utilise des noyaux en sable lié par une résine.

Processus de fabrication des mousses métalliques par moulage directe.

Mousses métalliques à pores fermés[modifier | modifier le code]

Les mousses métalliques à cellules fermées ont été élaborées en 1926 par Meller dans un brevet français où dans lequel des métaux légers sont moussés, soit par injection de gaz inerte, soit par agent gonflant. Les deux brevets sur des mousses métalliques ont été délivrés à Benjamin Sosnik en 1948 et 1951, qui utilisait de la vapeur de mercure pour souffler de l'aluminium liquide[6],[7]. Ensuite, les mousses métalliques à cellules fermées ont été développés depuis 1956 par John C. Elliott Research Laboratories Bjorksten. Bien que les premiers prototypes étaient disponibles dans les années 1950, la production commerciale a commencé seulement dans les années 1990 par la société de fil Shinko au Japon. Les mousses métalliques à cellules fermées sont principalement utilisés comme un matériau absorbant l'impact, même pour les mousses de polymères dans un casque de vélo, mais pour des charges d'impact élevées. Contrairement à beaucoup de mousses polymères, mousses métalliques restent déformés après l'impact et ne peuvent donc être utilisés qu'une seule fois. Elles sont légères (typiquement 10 à 25% de la densité d'un alliage non poreux identique; couramment ceux de l'aluminium) et rigide, et sont souvent proposé comme matériau de structure légère. Cependant, ils n'ont pas encore été largement utilisés à cette fin.

Les mousses à cellules fermées conservent la résistance et le recyclage capacité de tir d'autres mousses métalliques mais ajoutent la capacité de flotter dans l'eau.

Procédé de fabrication des mousses métalliques à pores fermés[modifier | modifier le code]

Les mousses métalliques sont généralement fabriqués par injection d'un gaz ou mélange d'un agent moussant dans un métal liquide[8].

Dans certaines circonstances des masses métalliques fondues peut être expansé par la création de bulles de gaz dans le liquide. Normalement, les bulles de gaz formées ont tendance à augmenter rapidement de sa surface en raison des forces de flottabilité élevée dans le liquide de haute densité. Cette hausse peut être entravée par l'augmentation de la viscosité du métal en fusion, soit par l'ajout de poudres céramiques fines, soit par celui d'éléments d'alliage pour former des particules de stabilisation dans la masse fondue, soit par d'autres moyens. Ce mélange peut être moussé dans l'une des trois façons suivantes:

  • par injection de gaz dans le métal liquide à partir d'une source externe ;
  • en provoquant une formation de gaz in situ, dans le liquide par mélange de gaz de dégagement agents gonflants pour le métal en fusion ;
  • en provoquant la précipitation du gaz qui a été préalablement dissous dans le liquide.

Afin de stabiliser les bulles de métal en fusion, des agents moussants à haute température (nano-particules solides ou de taille micrométrique) sont nécessaires. La taille des pores, ou des cellules, est habituellement de 1 à 8 mm. Lorsque des agents moussants ou gonflants sont utilisés, ils sont souvent mélangées à du métal à l'état solide à une forme de poudre. C'est ce qu'on appelle la « route de poudre" de mousse et il est probablement le plus établi à partir d'un point de vue industriel. Après ces poudres métalliques (par exemple aluminium) et de l'agent moussant (egTiH2) ont été mélangés, ils sont compressés en un comprimé, un précurseur solide, qui peut être accessible sous la forme d'une billette, d'une feuille ou d'un fil. La production de précurseurs peut être fait par une combinaison de procédés de formage des matériaux, tels que la poudre de pressage, extrusion (direct ou de se conformer), le laminage à plat.

Mousse stochastique et mousse régulière[modifier | modifier le code]

Mousse stochastique[modifier | modifier le code]

Une mousse est dite stochastique lorsque la répartition de la porosité est aléatoire. La majeur partie des mousses sont stochastiques car leur fabrication relève soit :

  • du moussage du métal qu'il soit liquide ou solide (poudre,
  • du dépôt de vapeur par CVD (sur une matrice elle-même aléatoire),
  • du moulage direct ou indirect d'un moule contenant des billes ou une matrice elle-même aléatoire.

Mousse régulière[modifier | modifier le code]

Octaèdre tronqué.

Une mousse est dite régulière lorsque la structure est ordonnée. À ce jour, seule la technique mise au point par CTIF[9],[10] permet la fabrication d'une mousse régulière. Il s'agit d'un moulage par fonderie en méthode directe qui permet d'obtenir une mousse à pore régulière et ouverte.

Pour fabriquer cette mousse, des plaques en sable aggloméré sont utilisés comme noyaux de fonderie. Leur forme est étudiée pour chaque application. Le savoir-faire lié à cette technique consiste en la conception des plaques et l'infiltration du métal liquide à l'intérieur du réseau créé.

Ce mode de fabrication permet de réaliser des mousses dite "parfaites", c'est-à-dire qu'elles respectent les conditions de Plateau notamment en réalisant des pores de la forme d'un octaèdre tronqué de Kelvin (conjecture de Kelvin).

Galerie photographique[modifier | modifier le code]

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Applications[modifier | modifier le code]

Application pour le design[modifier | modifier le code]

Les mousses peuvent être utilisés dans le design ou l'architecture.

Galerie de pièces design[modifier | modifier le code]

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Utilisation orthopédique[modifier | modifier le code]

Les mousses métalliques a également commencé à être utilisé comme une prothèse expérimentale chez les animaux. Dans cette application, un trou est percé dans l'os et de la mousse métallique inséré en laissant la croissance osseuse dans le métal pour une connexion permanente. Pour des usages orthopédiques, des mousses à partir de métaux tels que le tantale ou le titane sont souvent utilisés, car ces métaux présentent une résistance élevée à la traction, résistance à la corrosion avec une excellente biocompatibilité.

Etudes cliniques[modifier | modifier le code]

Un exemple notable de l'utilisation clinique de mousses métalliques est un Husky sibérien nommé Triumph dont les deux pattes arrières ont reçu de la mousse métallique comme prothèses. Les études sur les mammifères ont montré que les métaux poreux, tels que la mousse de titane, peuvent permettre la formation du système vasculaire au sein de la zone poreuse

Utilisation orthopédique pour l'humain[modifier | modifier le code]

Plus récemment, les fabricants d'appareils orthopédiques ont commencé la production de périphériques qui utilisent soit la construction de la mousse, soit des revêtements en mousse métallique pour atteindre les niveaux souhaités d'ostéointégration[12],[13],[14]

Application automobile[modifier | modifier le code]

Les mousses métalliques sont actuellement étudiés comme un nouveau matériau pour les automobiles. L'objectif principal de l'utilisation de mousses métalliques dans les véhicules est d'augmenter son mouillage, réduire le poids de l'automobile, et augmenter l'absorption d'énergie en cas d'accidents ou dans des applications militaires, pour lutter contre la force d'engins explosifs improvisés. À titre d'exemple, des tubes remplis de mousse peuvent être utilisés comme des barres anti-intrusion[15].

Les mousses métalliques qui sont actuellement à l'étude sont de l'aluminium et de ses alliages en raison de leur faible densité (0,4-0,9 g/cm3). En outre, ces mousses ont une grande rigidité, sont résistants au feu, ne dégagent pas de vapeurs toxiques, sont entièrement recyclables, peuvent absorber des quantités d'énergie élevée, une faible conductivité thermique, une faible perméabilité magnétique, et sont efficaces à une bonne insonorisation, surtout en comparaison avec des parties creuses de faible poids[16].

En comparaison avec les mousses polymères (pour utilisation dans les automobiles), les mousses métalliques sont plus rigides, plus résistante, et absorbent plus d'énergie. Elles sont plus résistants au feu, et ont une meilleur résistance à la lumière UV, l'humidité et la température. Cependant, ils sont plus lourds, plus chers, et non isolant. Cette technologie de mousse de métallique a également été appliquée dans le traitement des gaz d'échappement d'automobile. Par rapport au catalyseur traditionnel qui utilise de céramique de cordiérite en tant que substrat, le substrat en mousse métallique peut offrir un meilleur transfert de la chaleur et présente d'excellentes propriétés de transport de masse (haute possibilités turbulence) offrant pour utiliser moins de catalyseur de platine[17].

Application mécanique / Crash[modifier | modifier le code]

Courbe crash mousse régulière d'aluminium.

Comme le nid d'abeille, les mousses métalliques sont utilisées pour rigidifier une structure sans augmenter la masse de la structure. Pour ce type d'application, on utilise des mousses métalliques en général à pore fermé et en aluminium. Les panneaux de mousse sont collés à des plaques aluminium pour obtenir un sandwich composite résistant localement (selon l'épaisseur de la tole) et rigide sur la longueur en fonction de l'épaisseur de mousse.

Les mousses métalliques sont utilisés dans d'autres domaines plus ciblés comme l'absorption d'énergie. Exemple de domaine: - Automobile et ferroviaire (crash) - Sécurisation de l'humain dans le militaire

L'avantage des mousses métalliques, qu'elles soient régulières ou stochastiques, est que la réaction est constante quel que soit le sens de l'effort. En effet, les mousses sont homogènes. Elles présentent un plateau de contrainte constant suivant la déformation. Cette déformation peut aller jusqu'à 80 % d'allongement[18].

Application thermique[modifier | modifier le code]

Flux thermique dans mousse métallique.
Conduction thermique mousse régulière.

(Tian, Kim et al. 2004)[19] présentent plusieurs critères pour évaluer l’intérêt d’employer une mousse dans un échangeur de chaleur. La comparaison des performances thermohydrauliques des mousses métalliques avec des matériaux classiquement utilisés dans l’intensification des échanges (ailettes, surfaces conjuguées, lit de billes) nous montre tout d’abord que les pertes de charges engendrées par les mousses sont beaucoup plus importantes qu’avec des ailettes classiques, mais sont cependant nettement en dessous de celles des lits de billes. Les coefficients d’échange sont proches de ceux des lits de billes et sont nettement au-dessus des ailettes. Enfin, les auteurs proposent un facteur de mérite comparant les performances thermiques aux pertes de charges. Les mousses ont le meilleur rapport puissances thermiques/hydrauliques. Les mousses métalliques proposent donc une voix d’optimisation intéressante pour les échangeurs compacts. Elles permettent, à même perte de charge, d’obtenir des performances thermiques bien meilleures que des ailettes classiques (Miscevic 1997; Catillon, Louis et al.2005; Madani, Topin et al. 2005; Bonnet, Topin et al. 2006; Topin 2006; Brun, Vicente et al.2009)[20],[21].

Cependant, les mousses proposent d’autres spécificités intéressantes, tant sur le plan thermophysique que mécanique :

  • Une masse très faible (il n’y a qu’entre 5% et 15% de volume de solide)
  • Des surfaces d’échanges plus ou moins importantes (de 250 à 10 000 m2/m3)
  • Des perméabilités relativement hautes.
  • Des conductivités thermiques effectives assez élevées (de 5 à 30W/mK)
  • Une résistance aux chocs thermiques, aux hautes températures, à l’humidité, à l’usure et aux cycles thermiques
  • Une bonne résistance aux hautes pressions
  • Une bonne absorption des chocs
  • Une taille de pore et une porosité contrôlées par les manufacturiers.
  • Elles sont désormais assez facilement usinables
  • Elles sont d’excellents absorbeurs sonores
  • Elles sont d’excellents mélangeurs.

Les mousses présentent donc un potentiel important pour leur utilisation dans les échangeurs de chaleur compacts notamment grâce à leur large spectre d’applications. Des échangeurs multifonctionnels peuvent être envisagés tels les échangeurs-réacteurs, les échangeurs absorbeurs de choc, etc. En résumé, les mousses n’excellent dans aucun domaine, mais sont performantes dans tous les domaines[22].

L’industrialisation des échangeurs à mousses est restée jusqu’à aujourd’hui limitée car seuls des marchés de niche sont équipés de tels appareils (Prototype Le Mans, F1, Nasa…) du fait du coût élevé des mousses de réplications.

Il existe également une certaine frilosité de la part des industriels puisque les mousses métalliques sont aujourd'hui un matériau de rupture avec des performances très intéressantes mais avec des validations plus importantes à réaliser (tenue à l’encrassement, à la corrosion ou à l’érosion des mousses, et donc au maintien des performances dans le temps). D’un point de vue manufacturier, le passage à la technologie mousse n’est pas aisée car cela impose de nouveaux moyens de production et systèmes d'assemblage et une réflexion importante sur l'architecture de l'échangeur. Un échangeur à mousse sera plus performant si on adapte l'architecture de l'échangeur plutôt que d'installer de la mousse dans une architecture connue.

Comme toutes nouvelles technologies, le coût de production en grande série n'est pas aujourd'hui connu, il n’existe en effet que des prototypes. Néanmoins, les mousses métalliques par voie de fonderie présentent plusieurs avantages sur le plan industriels puisque le procédé de fabrication s'appui sur une industrie déjà mature.

Notons également que la nécessité de faire un saut technologique pour améliorer les performances des échangeurs est récente. Les batteries à ailettes existent depuis plus d’un siècle et ont été optimisées, au point d’atteindre de très hautes performances, une grande compacité, une bonne fiabilité et des coûts de fabrication plutôt modestes suivant les lieux de production[23].

Stockage d'énergie : stockage de chaleur[modifier | modifier le code]

Aujourd'hui, les énergies dite nouvelles ou vertes comme l'énergie solaire souffrent du côté intermittent de la production d'électricité. Les industriels sur secteur comme Areva ou Gemasolar se penchent sérieusement sur des solutions de stockage de l'énergie sous forme de chaleur. Pour stocker le maximum d'énergie, ce sont des sels fondus à forte chaleur latente qui sont utilisés, une matrice métallique permet d’homogénéiser la température. Les mousses métalliques répondent à certains de ces critères.

Convection forcée[modifier | modifier le code]

Chaque type de mousse peut avoir un intérêt en fonction des besoins, des fortes densités de surface permettent des échanges thermiques importants en convection forcée.

Convection passive ou naturelle[modifier | modifier le code]

Les mousses qui ont des plus gros pores permettent des applications en convection naturelle. En effet, les gros pores permettent la formation de rouleaux de convection. La Structure 3D permet d'intensifier l'échange. Les performances des mousses sont en général équivalentes quelle que soit l'inclinaison du dissipateur. (Contrairement aux systèmes à ailettes). La première utilisation de mousse en convection naturelle a été utilisé pour réaliser un dissipateur pour LED[11]

Galerie[modifier | modifier le code]

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Références[modifier | modifier le code]

  1. www.alveotec.fr
  2. Compare Materials: Cast Aluminium and Aluminium Foam. Makeitfrom.com. Retrieved on 2011-11-19.
  3. F. Topin, J.-P. Bonnet, B. Madani, L. Tadrist, « Experimental Analysis of Multiphase Flow in Metallic foam: Flow Laws, Heat Transfer and Convective Boiling », Advanced Engineering Materials, vol. 8, no 9,‎ 2006, p. 890–899 (lien DOI?)
  4. Banhart, J., « Manufacture, Characterization and application of cellular metals and metal foams », Progress in materials Science, vol. 46, no 6,‎ 2001, p. 559–632 (lien DOI?)
  5. DeGroot, C.T., Straatman, A.G., and Betchen, L.J., « Modeling forced convection in finned metal foam heat sinks », J. Electron. Packag., vol. 131, no 2,‎ 2009, p. 021001 (lien DOI?)
  6. B. Sosnick, (en) Brevet U.S. 2434775 (1948).
  7. B. Sosnick, (en) Brevet U.S. 2553016 (1951).
  8. John Banhart, « Manufacturing Routes for Metallic Foams », JOM, Minerals, Metals & Materials Society, vol. 52, no 12,‎ 2000, p. 22–27 (lire en ligne)
  9. http://www.ctif.com/recherche-en-fonderie-mousses-metalliques.aspx
  10. http://www.alveotec.fr/innovation.html
  11. a et b http://www.alveotec.fr/nos-actualites/loupi-lance-la-premiere-serie-de-dissipateur-pour-led-en-mousse-aluminium_66.html
  12. Biomet Orthopedics, Regenerex® Porous Titanium Construct
  13. Zimmer Orthopedics, Trabeluar Metal Technology
  14. Zimmer CSTiTM (Cancellous-Structured Titanium TM) Porous Coating
  15. Matteo Strano, « A New FEM Approach for Simulation of Metal Foam Filled Tubes », Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 133, no 6,‎ 2011, p. 061003 (lien DOI?)
  16. New Concept for Design of Lightweight Automotive Components
  17. Development of Metal Foam Based Aftertreatment on a Diesel Passenger Car – Virtual Conference Center. Vcc-sae.org. Retrieved on 2011-11-19.
  18. http://www.alveotec.fr/nos-actualites/exemples-d-applications-mousses-metalliques_55.html
  19. Tian, J., T. Kim, et al. (2004). "The effects of topology upon fluid-flow and heat-transfer within cellular copper structures." International Journal of Heat and Mass Transfer 47(14-16): 3171-3186.
  20. Miscevic, M. (1997). Etude de l'intensification des transferts thermiques par des structures poreuses: Application aux échangeurs compacts et au refroidissement diphasique. IUSTI. Marseille., Université de Provence
  21. Catillon, S., C. Louis, et al. (2005). Utilisation de mousses métalliques dans un réformeur catalytique du méthanol pour la production de H2. GECAT, La Rochelle.
  22. Hugo, J.-M. (2012). Transferts dans les milieux cellulaires à forte porosité: application à l'optimisation structurale des échangeur à ailettes. Laboratoire IUSTI CNRS UMR Aix-Marseille Université. Ph. D: 267
  23. Hugo, J.-M. (2012). Transferts dans les milieux cellulaires à forte porosité: application à l'optimisation structurale des échangeur à ailettes. Laboratoire IUSTI CNRS UMR Aix-Marseille Université. Ph. D: 267.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]