Aérogel – Tableau des matériaux – Applications – Prix

À propos de l’aérogel

L’aérogel est un matériau solide ultraléger poreux synthétique dérivé d’un gel, dans lequel le composant liquide du gel a été remplacé par un gaz (au cours d’un processus de séchage supercritique). Les aérogels peuvent être fabriqués à partir d’une variété de composés chimiques, mais le matériau de base de l’aérogel est généralement le silicium. 

Résumé

Nom	Aérogel
Phase à STP	solide
Densité	10kg/m3
Résistance à la traction ultime	0,08 MPa
Limite d’élasticité	N / A
Module d’élasticité de Young	0,005 GPa
Dureté Brinell	N / A
Point de fusion	1197°C
Conductivité thermique	0,01 W/mK
Capacité thermique	1900 J/g·K
Prix	12 $/kg

Composition de l’aérogel

L’aérogel de silice est le type d’aérogel le plus courant et le plus largement étudié et utilisé. Il est à base de silice et peut être dérivé du gel de silice ou par un procédé Stober modifié. Les aérogels de carbone sont composés de particules dont la taille est de l’ordre du nanomètre, liées par covalence. 

Applications de l’aérogel

L’aérogel a une très faible conductivité thermique de 0,013 W/m∙K. Sa densité est également très faible, environ 150 kg/m3. Ce sont des propriétés d’isolation thermique remarquables. Il faut noter que les aérogels peuvent avoir une conductivité thermique inférieure à celle du gaz (l’air a environ 0,025 W/m∙K) qu’ils contiennent. Ceci est causé par l’effet Knudsen, une réduction de la conductivité thermique dans les gaz lorsque la taille de la cavité englobant le gaz devient comparable au libre parcours moyen. En 2004, environ 25 millions de dollars américains de produits d’isolation en aérogel ont été vendus, ce qui était passé à environ 500 millions de dollars américains en 2013. Cela représente l’impact économique le plus important de ces matériaux aujourd’hui. Le potentiel de remplacement de l’isolation conventionnelle par des solutions d’aérogel dans le secteur du bâtiment et de la construction ainsi que dans l’isolation industrielle est assez important. La NASA a utilisé un aérogel pour piéger les particules de poussière spatiale à bord du vaisseau spatial Stardust. 

Propriétés mécaniques de l’aérogel

Force de l’aérogel

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine.

La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique. Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. En cas de contrainte de traction d’une barre uniforme (courbe contrainte-déformation), la  loi de Hooke décrit le comportement d’une barre dans la région élastique. Le module d’élasticité de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction.

Voir aussi : Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime de l’aérogel

La résistance à la traction ultime de l’aérogel est de 0,08 MPa.

Limite d’élasticité de l’aérogel

La limite d’élasticité de l’aérogel  est N/A.

Module d’élasticité de l’aérogel

Le module d’élasticité de Young de l’aérogel est de 0,005 GPa.

Dureté de l’aérogel

En science des matériaux, la  dureté  est la capacité à résister à  l’indentation de surface  ( déformation plastique localisée ) et  aux rayures . Le test de dureté Brinell  est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un  pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

L’  indice de dureté Brinell  (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation :

La dureté Brinell de l’aérogel est d’environ N/A.

Voir aussi : Dureté des matériaux

Propriétés thermiques de l’aérogel

Aérogel – Point de fusion

Le point de fusion de l’aérogel est de 1197 °C .

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard. En général, la  fusion  est un  changement de phase  d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le  point de fusion  d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le  point de fusion  définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre. Pour divers composés chimiques et alliages, il est difficile de définir le point de fusion, car il s’agit généralement d’un mélange de divers éléments chimiques.

Aérogel – Conductivité thermique

La conductivité thermique de l’aérogel est de 0,01 W/(m·K) .

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la  conductivité thermique , k (ou λ), mesurée en  W/mK . C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par  conduction . Notez que  la loi de Fourier  s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La  conductivité thermique  de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire  k = k (T) . Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Aérogel – Chaleur spécifique

La chaleur spécifique de l’aérogel est de 1900  J/g K .

La chaleur spécifique, ou capacité thermique spécifique,  est une propriété liée à l’énergie interne  très importante en thermodynamique. Les  propriétés intensives  c _v  et  c _p  sont définies pour des substances compressibles pures et simples comme des dérivées partielles de l’  énergie interne  u(T, v)  et de  l’ enthalpie  h(T, p) , respectivement : 

où les indices  v  et  p  désignent les variables maintenues fixes lors de la différenciation. Les propriétés  c _v  et  c _p  sont appelées  chaleurs spécifiques  (ou  capacités calorifiques ) car, dans certaines conditions particulières, elles relient le changement de température d’un système à la quantité d’énergie ajoutée par transfert de chaleur. Leurs unités SI sont  J/kg K  ou  J/mol K .

Propriétés et prix des autres matériaux

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