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Mousses métalliques

Propriétés

par Yves GAILLARD

Ingénieur École Supérieure de Fonderie (ESFF)

Ingénieur projet, Centre Technique des Industries de la Fonderie (CTIF), Sèvres, France

1. Préambule......................................................................................... N3801–2

2. Compression et absorption d’énergie......................................... — 2

2.1 Rappel ................................................................................................. — 2

2.2 Crash................................................................................................... — 2

2.3 Choc balistique................................................................................... — 4

2.4 Protection anti-explosion ................................................................... — 6

3. Flexion............................................................................................... — 8

3.1 Conception des mousses ................................................................... — 8

3.2 Caractéristiques clés .......................................................................... — 9

4. Propriétés thermiques................................................................... — 9

4.1 Échange thermique (avec liquide ou gaz) ......................................... — 9

4.2 Transfert thermique ............................................................................ — 11

5. Isolation phonique et vibratoire .................................................. — 13

5.1 Phonique ............................................................................................ — 13

5.2 Vibratoire ............................................................................................ — 14

Parution : juin 2015 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153

6. Médical.............................................................................................. — 17

6.1 Apport des mousses métalliques ...................................................... — 18

6.2 Matériaux employés........................................................................... — 18

6.3 Cellules ............................................................................................... — 18


7. Propriétés électriques.................................................................... — 19

7.1 Matériaux employés........................................................................... — 19


8. Support catalytique........................................................................ — 20

8.1 Performances comparées................................................................... — 20


9. Design ............................................................................................... — 21

10. Autres propriétés ............................................................................ — 22

11. Conclusion........................................................................................ — 22

12. Glossaire – Définitions................................................................... — 23

Pour en savoir plus.................................................................................. Doc. N 3 801

Les mousses métalliques s’inscrivent dans le groupe plus général des matériaux

cellulaires dont elles partagent les caractéristiques et certaines propriétés.

Elles présentent néanmoins des propriétés spécifiques intéressantes

comme, par exemple, une certaine isotropie, ou la possibilité d’échanges thermiques

et électriques avec des surfaces spécifiques élevées.

Outre le matériau qui les compose, les caractéristiques de ces matériaux sont

essentiellement tributaires de leur taux de porosité, ainsi que des morphologies

de leurs cellules. Souvent, pour répondre aux besoins fonctionnels des concepteurs,

les propriétés établies sur ces produits correspondent à une approche

macroscopique concernant un volume représentatif de mousse. Les études à

Copyright © - Techniques de l’Ingénieur - Tous droits réservés N3801–1




MOUSSES MÉTALLIQUES ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

l’échelle de la cellule, très utiles pour la compréhension des phénomènes physiques,

restent encore complexes à exploiter et à synthétiser dans des outils

utilisables à l’échelle des prototypes. Ces pseudo propriétés sont alors bien

souvent exprimées en fonction d’une part des propriétés du matériau de base,

et d’autre part de la densité relative de la mousse métallique.

Enfin, l’orientation des études sur les propriétés des mousses métalliques a

été naturellement imposée par les utilisations potentielles de ces nouveaux

matériaux.

Cet article propose donc une approche structurée par application, pour les

principaux domaines d’utilisation actuels des mousses métalliques (crash,

balistique, échange thermique, médical).

Les relations entre la composition, la morphologie des mousses métalliques

et les propriétés résultantes sont présentées pour chacun des domaines, ainsi

que les caractéristiques clés correspondantes.

1. Préambule

Le comportement très particulier de ce type de matériau est

intimement lié (figure 1) àsa courbe de compression, très caractéristique,

qui présente un plateau de déformation à contrainte

constante et autorise donc une utilisation pour l’absorption

d’énergie [N 3 802].


Les propriétés étudiées dans cet article ne sont pas exhaustives,

mais centrées sur celles utiles fonctionnellement pour les applications

intégrant des mousses métalliques [N 3 802].

Les propriétés des mousses métalliques sont très dépendantes

de leurs structures elles-mêmes tributaires des procédés de fabrication.

Ces différents aspects ne sont pas abordés dans cet article,

mais traités dans « Mousses métalliques – Structures et procédés

de fabrication » [N 3 800].

2. Compression et absorption

d’énergie

2.1 Rappel

Contrainte (MPa)

Zone 1 Zone 2 Zone 3

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Déformation (%)

Figure 1 – Courbe de compression type d’une mousse métallique

N3801–2

2.2 Crash

2.2.1 Incidence de la valeur de contrainte plateau

Pour l’usage d’une mousse métallique en absorption d’énergie

(crash), la valeur de contrainte plateau reste la caractéristique la

plus importante puisqu’elle pilote l’énergie absorbable pour un

volume de mousse donné. Cette valeur est généralement exprimée

en fonction de la nature et de la densité de la mousse, souvent sur

la base d’essais de compression [1].

Pour un même matériau métallique, la structure de la mousse

influe sur le comportement en compression. Les structures fermées

(mousses) présentent généralement (figure 2) des valeurs supérieures

à celles des structures ouvertes (éponges). Ces propriétés

varient, dans des proportions importantes, avec les procédés de

fabrication. Par exemple [2], la différence d’énergie absorbée entre

une mousse d’aluminium réalisée par bullage (Cymat) et par métallurgie

des poudres (Schunk) peut varier d’un facteur 3 pour une

densité comparable de 0,28.

Valeur plateau (MPa)

25

20

15

10

5

Structure ouverte

Structure fermée

Modèle de Ashby

Copyright © - Techniques de l’Ingénieur - Tous droits réservés

0

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

Densité relative

Figure 2 – Comparatif des valeurs de contrainte de plateau sur

quelques mousses d’aluminium




––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

MOUSSES MÉTALLIQUES

La valeur de contrainte du plateau reste principalement pilotée

par la densité relative de la mousse, Ashby [3] propose la relation :

m

σp

= 03 , * σy. s *( ρ/ ρs) avec m ≈ 16 ,

(1)

avec s p valeur de contrainte du plateau,

sy.s

r/rs

limite d’élasticité en compression du matériau

de base,

densité relative de la mousse.

2.2.4 Incidence du rapport d’élancement

L’augmentation de ce rapport (entre la dimension moyenne de la

section de l’éprouvette et sa longueur) se traduit, comme le montre

la figure 5, par un accroissement de la quantité de déformations,

mais influe généralement peu sur la valeur de contrainte du plateau.

Ce comportement est d’autant plus marqué que la densité

relative de la mousse est importante.

2.2.5 Taille et forme des cellules


Ce modèle est évoqué dans de nombreuses publications et études.

La courbe représentée figure 2 correspond à l’identification du

modèle par Blazy [4] (s p = 260*(r/rs) 1,99 ) pour les mousses d’aluminium

Hydro de Cymat (structures fermées).

Le ratio entre la taille de la cellule et les dimensions de l’élément

en mousse doit être au minimum de 7 à 10 pour pouvoir espérer un

comportement reproductible et éliminer les effets de bord consécutifs

à des surfaces externes plus chargées que le reste de la

mousse.

2.2.2 Incidence de la vitesse de sollicitation

Négligeable dans le cas des mousses légères à structure fermée

jusqu’à des vitesses de déformation (au sens de la norme

EN ISO 6892-1) de 50 s -1 [4], la vitesse de sollicitation peut devenir

très sensible dans le cas de structures ouvertes plus denses comme

l’illustre la figure 3. L’évolution entre une compression quasistatique,

à une vitesse de 1 mm.s -1 , et un crash, à une vitesse de

7,5 m.s -1 , se traduit, pour une même mousse d’aluminium de porosité

relative de 70 %, par une élévation de la valeur du plateau. La

quantité d’énergie absorbée (aire sous la courbe) reste la même. La

déformation observée est moins importante et la valeur de plateau

plus élevée.

2.2.3 Incidence du matériau

Le matériau constitutif de la mousse influe fortement [4] [5] sur le

type de comportement, fragile ou plus ductile, ainsi que sur les

caractéristiques attendues. De plus, pour des structures anisotropes,

le sens de la compression impacte également les caractéristiques

en compression. Ces tendances sont présentées en figure 4

avec l’illustration du comportement fragile (alliage AlSi7Mg) ou

élastoplastique (acier inoxydable 304L et aluminium pur), ainsi

que l’effet de l’anisotropie sur deux directions pour l’acier 304L.

Contrainte (MPa)

90

1 mm . s -1

80

7,5 m . s -1

70

60

50

40

30

20

10

0

0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 %

Déformation (%)

Mousse aluminium avec cellules de diamètre 10 mm,

éprouvette de diamètre 60 mm et longueur 150 mm

Figure 3 – Évolution des courbes entre compression isostatique et

crash (source CTIF)

Généralement, les modèles [1] prennent en compte les caractéristiques

physiques du matériau de base (module d’Young, limite

d’élasticité, densité) pour établir les caractéristiques du matériau

mousse métallique en appliquant des coefficients qui dépendent

uniquement de la géométrie des cellules.

Néanmoins, dans les faits, il a été constaté [6] [7] que la variation

de taille des cellules sur les mousses d’aluminium stochastiques à

structure ouverte a une incidence sur le comportement en compression.

L’étude de la morphologie des cellules a été grandement

facilitée par l’utilisation de la tomographie RX [8] [9] qui permet

une appréhension qualitative et quantitative de la répartition du

métal de la mousse dans l’espace.

Contrainte (MPa)

40

35

30

25

20

15

10

5

Acier 304L direction [0,1,1]

Acier 304L direction [0,0,1]

Aluminium direction [0,1,1]

AlSi7Mg direction [0,1,1]

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Déformation (%)

Figure 4 – Influence du matériau, et de la direction de

compression [1] (source CTIF : mousses Castfoam‚ K-10-0,85)

Contrainte (MPa)

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Eprouvette de longueur 80 mm

Eprouvette de longueur 150 mm

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Déformation (%)

Figure 5 – Incidence du rapport d’élancement de l’éprouvette (source

CTIF : mousses Castfoam‚ S-AlSi7Mg-10-0,70, éprouvette Ø 60 mm)






Effet de pic en fonction du

diamètre des précurseurs

Energie absorbée en fonction

du diamètre des précurseurs

Variation de la force avec le

diamètre des précurseurs

100 000

6 000

90

95 000

5 000

80

70

Niveau du pic (N)

90 000

85 000

80 000

Energie (J)

4 000

3 000

2 000

Variations (%)

60

50

40

30

75 000

1 000

20

10

70 000

0

0

5 10 15

5 10 15

5 10 15

Diamètre précurseurs (mm) Diamètre précurseurs (mm) Diamètre précurseurs (mm)

Figure 6 – Incidence de la taille des cellules (source : CTIF mousses Castfoam‚ S-AlSi7Mg-0,70)


Pour une même densité relative, en respectant la règle d’un minimum

de 7 cellules par côté de l’échantillon, l’augmentation de la

taille des cellules conduit à la figure 6 :

variations plus importantes de la valeur plateau lors de la

compression, pour un matériau de type fragile ;

valeur du pic plus élevée, en début de compression ;

valeur du plateau plus basse.

2.2.6 Caractéristiques clés

L’aluminium est logiquement le matériau le plus souvent utilisé,

du fait de sa relative facilité de mise en forme pour réaliser la

mousse métallique. Des fabricants de mousse de nickel (Integran)

font également état de l’emploi de leurs produits (Nanovate) en

absorption d’énergie. Enfin, l’acier, bien que plus difficile à mettre

en œuvre, est un matériau très intéressant du fait de son comportement

ductile et de sa valeur plateau élevée.

Le tableau 1 récapitule les principales caractéristiques, nécessaires

pour un dimensionnement en crash, de plusieurs mousses

métalliques utilisables. Ces informations sont issues de publications

ou fournies par les fabricants.

Plus généralement, les caractéristiques mécaniques de la mousse

sont données par rapport au matériau constitutif de base et à la

densité relative du matériau. Outre la valeur plateau s p définie précédemment,

on peut retenir [3] pour les valeurs du module d’élasticité

E, du module de cisaillement G et du coefficient de Poisson n :

n

E ≈ α2Es* ( ρ/

ρs)

; (2)

n

G ≈ 38 / * α2G

s* ( ρ/ ρs)

;

(3)

ν ≈ 03 , (4)

où n a une valeur comprise entre 1,8 et 2,2, et a 2 entre 0,1 et 4, ces

valeurs dépendant de la structure de la mousse.

L’utilisation des données est illustrée ci-après par l’exemple du

calcul simplifié pour un tampon de crash qui doit répondre aux

tests de choc (Danner ou Allianz) de l’automobile. Il s’agit ici, pour

N3801–4

de faibles vitesses, de garantir l’intégrité du châssis du véhicule

lors de l’impact.

Exemple : Soit un véhicule d’une masse m de 1 300 kg qui subit

un impact à une vitesse V de 15 km.h –1 . La force maximum F m doit

être limitée, lors de l’impact, à 150 kN. Le choix s’est porté vers une

mousse d’aluminium de densité relative 0,15 dont la valeur plateau

s pl est de 5 MPa et le taux de déformation de 70 %.

L’énergie à dissiper est :

Ec =½mV 2 soit ½*1 300*(15*1 000/3 600) 2 = 11 285 J.

L’énergie qui sera dissipée par la mousse correspond au travail W

de la force Fm sur la distance de déformation Dl de la mousse avec

W = F*Dl.

Puisque ce travail doit absorber l’énergie Ec, la distance de

mousse déformée doit vérifier :

Dl=Ec/F m soit (11285/150 000) = 0,07525 m,

ce qui implique que la longueur initiale L du tampon soit telle que :

L = Dl/0,7 soit 0,07525/0,7 = 0,1075 m,

soit un tampon de 110 mm de longueur.

Enfin, la valeur plateau permet de déterminer la section S correspondant

à la force F m :

S = F m /s pl soit (150 000/5 000 000) = 0,03 m 2 .

Au final, si on choisit une section carrée, les dimensions du tampon

seront : 173 x 173 x 110 mm.

2.3 Choc balistique

2.3.1 Matériaux employés


Les mousses métalliques sont utilisées en balistique, généralement

sous forme de composites intégrant des mousses d’aluminium

à pores fermés, de type Alporas ou Cymat. Ces structures

qui sont composées d’une âme en mousse entourée de feuilles

plus résistantes [10], souvent en acier, présentent des possibilités

intéressantes pour les applications pare-balles. Une structure de

ce type permet, à masse égale, des performances supérieures à

celles qu’offre une plaque monolithique.

Dans ce domaine d’application, les mousses métalliques sont

également utilisées comme absorbeur d’énergie cinétique, elles

entrent donc également en compétition avec les structures à base

de nids d’abeille. L’objectif final est de déterminer quelle est la




––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


Tableau 1 – Caractéristiques clés desprincipalesmoussesmétalliques

Producteur Produit Matériau Densité relative

Rp0,2 mousse

(en MPa)

Valeur plateau

(en MPa)

Module

d’Young E

(en GPa)

CTIF Castfoam‚ K Acier 304L 0,15 11 20 6,8

Alporas Alporas‚ Al 0,09 1,6 - 1,8 2,3 0,4 - 1

Alulight Alulight‚ Al 0,1 - 0,35 2 - 20 1,9 - 14 1,7 - 12

ERG Duocel‚ Al 0,05 - 0,1 0,9 - 2,7 0,9 - 3 0,06 - 0,3

M-PORE Gmbh M-Pore‚ Al 0,06 – 0,9 0,01

Shanghai Zhonghui – Al 0,22 - 0,32 – 9 –

CTIF/Alveotec Castfoam‚ K Al 0,15 1,2 3,5 0,14

CTIF Castfoam‚ S Al Si7Mg 0,3 22 17 1,5

CTIF/Alveotec Castfoam‚ K Al Si7Mg 0,15 3,5 5 0,4

Cymat Smart Metal Al SiC 0,02 - 2 0,04 - 7 0,04 - 7 0,02 - 2

Foamtech Foamtech Al SiC 0,2 - 0,4 – 1,5 - 2 –

Fraunhofer IFAM Foaminal‚ AlMg1SiCu 0,2 – 12 –

Fraunhofer IFAM Foaminal‚ AlSi6Cu4 0,14 - 0,2 – 9,5 - 24 –


Pohltec Metal Foam AFS AlSi6Cu4 0,125 – 10,8 –

Novamet Incofoam‚ Ni 0,03 - 0,04 0,6 - 1,1 0,6 - 1,1 0,4 - 1

Integran Nanovate Ni (nano) 0,022 – 3,9 –

Zimmer Trabecular Metal Ta 0,2 – 50 1,5 - 3

Biomet Regenerex‚ Ti 0,33 – 157 1,9

structure sandwich qui apporte le meilleur gain par rapport aux plaques

monolithiques entourant l’âme. Les études comparatives

conduites mettent en évidence (figure 7), que, pour de faibles épaisseurs

de plaques externes, la mousse Alporas (plus ductile) est

significativement supérieure à la mousse Cymat (plus cassante).

Dans la compétition avec les structures en nid d’abeille, seule la

mousse Alporas prend le dessus dans le cas de plaques d’acier de

0,6 mm pour des impulsions inférieures à 28 N.s.

Le ratio d’enfoncement considère, au regard de l’enfoncement

mesuré, une plaque monolithique en acier de masse équivalente à

celle du sandwich mis en œuvre.

Enfin, ces structures sandwichs doivent faire face à de nombreuses

autres solutions composites plus ou moins conventionnelles

(fibres synthétiques, mousses polyuréthane, fibres de verre…).


Comme il s’agit d’une structure composite, c’est l’ensemble du

sandwich qui est considéré. Dans la structure composite, la mousse

métallique a pour objet d’absorber tout ou partie de l’énergie cinétique

du projectile.

& Les matériaux les plus répandus sont constitués de tôles d’acier

ou d’alliage d’aluminium, d’épaisseur millimétrique variable, et de

mousses métalliques d’épaisseur centimétrique et de densité relative

variables.

La figure 8 montre l’incidence de l’épaisseur de l’âme en mousse

sur la limite balistique d’un projectile (vitesse minimale à atteindre

pour perforer la structure).

Les composites testés [11] sont composés de deux tôles de

0,6 mm d’alliage d’aluminium (type AlMg1) collées sur une mousse

Cymat de densité relative 0,18 correspondant à une porosité de

82 %.

& Le comportement réel du matériau sandwich lors d’un impact

balistique est complexe, car il est fonction de la morphologie et

de la composition du composite, mais également des caractéristiques

de l’impact. On peut schématiquement résumer les paramètres

influents par :

– Propriétés sandwich :

matériau constitutif des tôles (acier, alliage d’aluminium,

etc.) ;

épaisseur des tôles ;






1,8

1,6

1,4

Ratio d’enfoncement/centre

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Cymat 25 mm (tôle 0,6 mm)

Cymat 25 mm (tôle 1 mm)

Honeycomb 13 mm (tôle 0,6 mm)

Honeycomb 13 mm (tôle 1 mm)

Honeycomb 29 mm (tôle 0,6 mm)

Honeycomb 29 mm (tôle 1 mm)

Alporas 25 mm (tôle 0,6 mm)

Alporas 25 mm (tôle 1 mm)

0 10 20 30 40 50 60 70

Impulsion (N.s)

Figure 7 – Courbes du ratio d’enfoncement de différents panneaux sandwichs avec plaques externes d’acier d’épaisseur 0,6 et 1 mm (d’après [10])


Vitesse balistique (m/s)

180

160

140

120

100

80

60

25 mm de mousse

40

50 mm de mousse

20

Sans noyau

0

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22

Densité relative

Figure 8 – Courbes indiquant l’influence de la densité relative sur la

limite balistique du composite (d’après [11])

matériau mousse (mousses d’aluminium, autres) ;

épaisseur mousse ;

liaison mousse/tôle (moulée, collée, plaquée, etc.) ;

précontraintes imposées aux tôles externes.

– Propriétés impact :

énergie du projectile (vitesse et masse) ;

forme (conique, hémisphérique, plat).

& La forme du projectile a un effet non négligeable sur l’énergie

absorbée par la structure composite comme l’illustre la figure 9.

La structure testée [11] comporte une âme de 25 mm de mousse

N3801–6

Energie dissipée (J)

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Quasi-statique (0,02 mm.s –1 )

Perforation par impact (110 m.s –1 )

Hémisphérique Conique Plat

Type de projectile

Figure 9 – Incidence de la forme du projectile sur l’énergie dissipée

à iso-masse et structure (d’après [11])

Cymat, de densité relative 0,18, entourée de tôles de 0,6 mm

d’alliage d’aluminium.

2.4 Protection anti-explosion


Rappel : Une explosion est caractérisée par une onde de souffle

générée dans l’air.

L’aire sous la courbe de pression (figure 10) représente l’impulsion

émise. Les deux paramètres caractéristiques en sont la pression

P et l’impulsion I.




––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


P

Pression

I + (impulsion positive)

I – (impulsion négative)

Déformation (10 -6 )

2 800

2 400

2 000

1 600

1 200

800

400

Sans protection

Avec panneau mousse alu (1)

Avec panneau mousse alu (2)

0

4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4 5,6 5,8 6

Temps

Temps (ms)

t 0

Figure 10 – Courbe de pression caractéristique d’une explosion

Figure 11 – Déformations induites par une explosion sur panneaux

avec et sans protection (d’après [12])

12


Pression (MPa)

10

8

6

4

2

0

0,75 1 1,25 1,5

Z (m.kg -1 )

a effet de l’épaisseur de mousse

2.4.1 Matériaux employés

Pression souffle

e = 25 mm (a)

e = 50 mm (a)

e = 75 mm (a)

e = 100 mm (a)

Figure 12 – Pression transmise derrière le panneau de mousse (d’après [13])

On retrouve ici, comme en balistique, des composites de même

nature qu’évoquée précédemment. Les études menées sur ces

matériaux [12] indiquent de bonnes propriétés d’absorption de

l’âme en mousse qui limite fortement les déformations. La

figure 11 montre l’efficacité d’une protection en mousse d’aluminium

de 50 mm d’épaisseur.

Les paramètres qui pilotent la pression résiduelle transmise aux

structures protégées par ces sandwichs sont :

– l’épaisseur de mousse et sa densité ;

– les propriétés de la tôle du sandwich ;

– l’existence de multicouches de mousses dans la structure ;

dans ce cas il est recommandé [13] de présenter, face à l’onde

générée par l’explosion, la structure présentant la plus faible

densité.

Pression (MPa)

12

10

8

6

4

2

0

Repères

a

b

a + b

Masses

volumiques

(en g.cm -3 )

0,75 1 1,25 1,5

Z (m.kg -1 )

b effet des masses volumiques de mousse


Limite

élastique

(en MPa)

200 1

280 4

– –

Energie absorbée

(en MJ.m -3 )

à déformation de

20 % 50 % 70 %

0,2

0,82

0,18

0,61 1,06

2,61 4

0,97 2,06

Pression souffle

e = 50 mm (a)

e = 50 mm (a+b)

e = 50 mm (a)

Dans le cas d’une explosion, l’énergie transmise à la mousse

métallique est généralement mieux répartie que lors de l’impact

d’un projectile où elle reste très localisée. La pression liée à l’explosion

peut être considérée, en première approche, comme proportionnelle

à la masse de la charge explosive généralement ramenée

en masse équivalente de TNT [13] [14]. Un facteur d’échelle de distance

Z se définit [14] comme un rapport de la masse d’explosif W

et de la distance au centre de la charge R par la relation :

Z = R W( 13 /

/ )

(5)

La figure 12 montre l’amortissement de pression de souffle que

permet la mousse d’aluminium lors d’une explosion. La partie gauche

met en évidence l’effet de l’épaisseur de mousse mise en

œuvre, la partie droite montre l’intérêt d’utiliser plusieurs masses

volumiques de mousse.






Exemple : Pour un facteur d’échelle de Z = 0,75 qui correspond à

une charge de TNT de 296 kg à 5 m du centre de la charge, un panneau

constitué d’une épaisseur de 100 mm de mousse de type (a)

retransmettra une pression de 3 MPa. Un dimensionnement basique

permet, pour un cas simple et en première approche, de choisir la

densité relative de la mousse et son épaisseur, de manière à autoriser

une pression transmise inférieure à la limite d’élasticité de la

mousse métallique.

Le dimensionnement est beaucoup plus difficile lorsque de grandes

variations de pressions et d’impulsions sont à prendre en

compte. Il est alors possible d’utiliser, suivant les zones, différentes

épaisseurs et densités de mousses réparties sur plusieurs couches.

La pression transmise choisie est donnée par les pressions maximales

que peuvent subir les éléments à protéger. Le critère

d’endommagement correspond à la compression totale de la

mousse, soit 70 % environ de l’épaisseur initiale.

Des courbes d’iso-endommagements Pression Impulsion (P-I)

sont établies, généralement par simulation [13], et permettent,

pour une mousse et une épaisseur données, de choisir le matériau

le plus adéquat à la situation locale considérée. Un exemple de ce

type de courbes, basé sur l’emploi de mousses d’aluminium, est

présenté figure 13.

3.1 Conception des mousses

Les propriétés mécaniques des panneaux dépendent bien évidemment

des matériaux qui les composent, d’une part au niveau

de l’âme en mousse métallique et, d’autre part, au niveau des

deux tôles externes.

Le matériau constitutif le plus répandu pour réaliser l’âme du

sandwich est la mousse d’aluminium à pores fermés, généralement

issue d’un procédé de moussage. Les tôles externes sont bien souvent

également en alliage d’aluminium, mais peuvent également

être en acier. Si on considère le ratio module d’élasticité sur le

carré de la masse volumique E/r 2 qui, dans les cas de flexion, doit

être maximal, on constate (tableau 2) que les mousses métalliques

peuvent offrir des caractéristiques intéressantes.

Tableau 2 – Caractéristiques comparées entre mousses

d’aluminium Cymat et d’autres matériaux

(source : Cymat)

Matériau

Masse

volumique

(en kg.m –3 )

Module

d’élasticité E

(en GPa)

E/r 2

3. Flexion

Acier 7 800 210 0,35

Alliages d’aluminium 2 700 70 1

La mousse est généralement utilisée en complément d’un support

plus rigide pour constituer une structure sandwich dont les

propriétés en flexion sont remarquables du fait de l’augmentation

du module de l’élément soumis à la flexion.

Alliages de magnésium 1 800 45 1,4

Mousses d’aluminium 500 5 2


Pression (MPa)

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

Masses

volumiques

(en g.cm -3 )

Limite

d’élasticité

(en MPa)

Energie absorbée (en MJ.m -3 )

à déformation de

20 % 50 % 70 %

370 2 0,39 1,36 2,89

e = 25 mm

e = 50 mm

e = 75 mm

e = 100 mm

Limite d’élasticité

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Impulsion (MPa.ms)

Figure 13 – Courbes d’iso-endommagements (100 % de la mousse) pour différentes épaisseurs (d’après [13])

N3801–8





––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


Tableau3–Caractéristiques intéressant la flexion des principales mousses d’aluminium

Cymat

Al SiC

Alulight

Al

Alporas

Al

ERG

Al

AFS (âme)

Al SiMg

Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max

Densité relative 0,02 0,2 0,1 0,35 0,08 0,1 0,05 0,1 0,081 0,14

Masse volumique

(en kg.m –3 )

54 540 270 945 216 270 135 270 220 380

Module d’Young E

(en GPa)

0,02 2 1,7 12 0,4 1 0,06 0,3 – 5

Module de flexion E f

(en GPa)

0,03 3,3 1,7 12 0,9 1,2 0,06 0,3 – –


3.2 Caractéristiques clés

Le tableau 3 indique les valeurs concernant les principales mousses

d’aluminium utilisées ou utilisables pour la réalisation de l’âme

de matériaux travaillant en flexion.

Les chiffres clés à retenir sont généralement comparatifs avec le

matériau constitutif des plaques externes.

L’institut Fraunhofer en Allemagne assure par exemple que sa

structure composée de tôles d’acier de 1 mm entourant une âme

de 14 mm de mousse d’aluminium, présente une résistance à la flexion

équivalente à celle d’une tôle d’acier massive de 10 mm avec

une masse 3 fois moindre.

De même, Pohltec Metalfoam affiche, pour son produit AFS (30)

(composé de2tôles d’aluminium de 1,2 mm reliées par 25 mm de

mousse d’aluminium), une résistance à la flexion proche de celle

d’une structure massive de même épaisseur. Les valeurs de résistance

annoncées pour la structure sandwich ne sont en effet inférieures

que de 8 % par rapport au matériau massif.

4. Propriétés thermiques

4.1 Échange thermique (avec liquide

ou gaz)

Pour ce type de propriété, bien évidemment, seules les mousses

métalliques à structures ouvertes (pores communicants) sont

concernées.

L’emploi de la mousse métallique dans les échangeurs doit

répondre à deux exigences qui sont antinomiques au niveau de la

taille des cellules à mettre en œuvre :

la recherche d’un maximum d’échanges thermiques, donc une

surface spécifique importante, ce qui conduit à retenir les plus

petites cellules possibles ;

la limitation des pertes de charge, ce qui conduit à opter pour

des cellules plus importantes avec de grosses fenêtres de

passage.

Les matériaux constitutifs de ces mousses sont donc de bons

conducteurs de chaleur, classiquement le cuivre et l’aluminium.

Néanmoins, certaines applications spécifiques, comme les

échanges de chaleur en milieux très corrosifs, imposent des matériaux

différents, de type acier inoxydable par exemple.

Très logiquement, les propriétés les plus étudiées sur les mousses

métalliques concernent le transfert thermique d’une part et les

pertes de charge d’autre part, comme le présente la figure 14.

Ce sont les propriétés micro-structurales de la mousse, taille de

pore, densité des pores, densité relative, porosité qui, du côté

mousse, pilotent ces propriétés. Le transfert thermique et les pertes

de charges augmentent simultanément lorsque la densité relative

et la taille des pores diminuent.

La figure 14 illustre cet effet, les mousses à faible taille de cellules

(Castfoam‚ 5 mm) présentent des pertes de charges plus

importantes que celles à plus forte taille de cellule (Castfoam‚

10 mm). Par contre, les petites tailles de cellules (Castfoam‚

5 mm, ERG 40 ppi) sont plus favorables à l’échange thermique

que les cellules de plus grandes tailles (Castfoam‚ 10 mm, ERG

10 ppi).

La taille des pores est exprimée en nombre de porosités linéaires,

c’est-à-dire en pores per inch (ppi), 10, 20 et 40 ppi correspondant

respectivement à 2,5, 1,3 et 0,6 mm.


Les paramètres qui pilotent l’échange thermique sont complexes

à appréhender [15] [16] [17] [18] [19] puisque la morphologie

et l’orientation de chaque cellule et de chaque brin doivent

être prises en compte vis-à-vis du comportement du fluide caloporteur.

Compte tenu de cette complexité, les éléments de

réponse en termes de dimensionnement d’échangeur utilisant

des mousses métalliques portent généralement soit sur des

modèles qui intègrent les deux notions de perte de charge et

d’échange thermique, soit sur des tests comparatifs avec des

solutions conventionnelles.

4.1.2 Gains potentiels

& Convection forcée

De manière générale [15], l’utilisation de mousses métalliques

dans des échangeurs, en lieu et place des systèmes conventionnels,

conduit à un gain sensible de transfert de chaleur [16], mais

induit en contrepartie des pertes de charges plus élevées.






10 000

Coefficient d’échange (W.m -2 .K -1 )

1 000

100

Canal lisse

ERG 10 ppi

ERG 20 ppi

ERG 40 ppi

Castfoam ® K Cu 14

Castfoam ® S Al 10

Castfoam ® S Al 5

1 000 10 000 100 000

Nombre de Reynolds Re

Les ordres de grandeur de taille correspondant à 10, 20 et 40 ppi sont respectivement 2,5, 1,3 et 0,6 mm.

a

évolution des échanges thermiques


Gradient de pression (Pa.m -1 )

90 000

80 000

70 000

60 000

50 000

40 000

30 000

20 000

10 000

0

Castfoam ® S Al 10

Castfoam ® K Cu 14

Castfoam ® S Al 5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Débit massique surfacique (kg.m -2 .s -2 )

À puissance de pompage égales, les échangeurs en mousses

métalliques présentent une résistance thermique 2 à 3 fois moindre

que celle d’un échangeur commercial classique.

Par rapport aux tubes lisses, un tube rempli de mousse métallique

présente des performances de transfert sensiblement plus

élevées (jusqu’à 10 fois).

b

évolution des pertes de charge

Figure 14 – Évolution des échanges thermiques et des pertes de charge sur des mousses métalliques (source CTIF)

N3801–10


Les brins de mousse perpendiculaires au flux du fluide créent

des ruptures, des mélanges et participent aux procédés de transport

de la chaleur. Les effets d’une perturbation sont plus importants

dans le sens transversal que dans le sens longitudinal. Côté

fluide, changer la conductivité du fluide n’a que peu d’impact sur

les résultats de la conductivité effective globale. La dispersion




––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


Masse : 210 g

50 mm

Masse : 268 g

50 mm

Masse : 414 g

50 mm

Rth : 1,2 K.W -1 Rth : 1,3 K.W -1 Rth : 1,4 K.W -1

Radiateur à alvéoles

Radiateur extrudé en U

Radiateur extrudé courbe

Figure 15 – Exemple d’évolution de la résistance thermique (Rth) sur un refroidisseur de diode (source : Alveotec étude Piséo CEA Grenoble)

thermique est faible dans le cas d’une circulation d’air, mais augmente

considérablement dans le cas de l’eau.

& Convection naturelle

Le remplissage du vide existant entre les ailettes d’un refroidisseur

d’élément électronique, par une mousse de faible densité, se

traduit par un gain jusqu’à un facteur 2 sur le transfert thermique.

L’étude de la figure 15 fait état d’un gain de 8 à 16 % en résistance

thermique en diminuant sensiblement la masse de

l’échangeur.

100

Al 10 ppi

Al 40 ppi

Transfert massique

10

4.1.3 Modèles et simulation


De nombreux modèles sont proposés qui étudient les échanges

de chaleur et/ou les pertes de charges en intégrant les effets des

variations thermiques, de la porosité, du régime du fluide... [15].

Les corrélations observées dans la littérature entre perte de

charge et transferts de chaleur, sur des échangeurs en mousses

métalliques, sont généralement classées en trois catégories :

– celles où les corrélations sont indépendantes de la géométrie

de l’échangeur et ne dépendent que de la microstructure de la

mousse ;

– le cas des échangeurs de forme tubulaire en mousse

métallique ;

– le cas des échangeurs à canaux remplis de mousses.

Parmi les modèles proposés [15] pour ces différents cas, certains

ont été implémentés dans des calculateurs et permettent de simuler

et/ou de calculer des échangeurs thermiques sans avoir recours

à des essais sur bancs qui se révèlent souvent longs et

coûteux [20].

4.1.4 Efficacité de la mousse métallique

dans des échangeurs thermiques

Des comparaisons [15] faites sur deux types d’échangeur, de

forme tubulaire et à canaux, permettent d’évaluer l’efficacité réelle

de l’emploi d’une mousse métallique en prenant en considération

le transfert de chaleur au regard de la puissance de pompage

nécessaire pour vaincre les pertes de charge. Les fluides étudiés

sont l’eau froide et un mélange air/CO 2 (à 10 %). Le tableau 4, qui

concerne l’étude d’échangeurs avec un fluide gazeux, récapitule les

principales données publiées.

Nota : Le facteur de performance établi intègre les pertes de charges supplémentaires

et les gains d’échange de chaleur. Il se définit comme le pourcentage du ratio, avec et

sans mousse, de la différence entre le flux de chaleur transmis et la puissance de pompage

nécessaire.

Les résultats de ces tests attestent d’un gain de performance

potentiel important lors de l’utilisation de mousse métallique

dans un échangeur, entre 500 et 1 300 % suivant les modes.

1

1 10 100 1 000

Nombre de Reynolds Re

Figure 16 – Transfert massique en fonction du nombre de Reynolds

pour deux mousses d’aluminium de taille de pores différentes

traversées par un gaz (d’après [21])

4.2 Transfert thermique

4.2.1 Applications

Cette fonction n’est souvent que complémentaire à une fonction

principale apportée par la mousse métallique, comme par exemple,

l’utilisation d’une grande surface spécifique.

Les propriétés sont similaires à celles évoquées ci-avant dans le

domaine des échangeurs thermiques (§ 4.1). Même si la fonction

principale pilote le dimensionnement, l’aspect échange thermique

reste important pour les applications catalytiques où les élévations

de températures sont néfastes. La figure 16 illustre les évolutions

de transfert thermique massique dans des réacteurs équipés de

mousses métalliques de 2 tailles de cellules différentes.

Par rapport aux échangeurs thermiques, certaines applications

utilisent la surface spécifique et la conductivité de la mousse métallique

avec des vitesses de circulation de fluide faibles, voire nulles.

C’est, par exemple, le cas pour l’utilisation des mousses métalliques

dans les réservoirs de carburant ou dans le stockage d’énergie

ou encore l’utilisation de matériau à changement de phase à

l’intérieur d’une mousse conductrice.


De toutes les caractéristiques de transfert thermique, le rayonnement

est sans doute celle dont les mécanismes sont les plus complexes

et les moins bien connus. En effet, le mélange mousse air ne

peut pas être facilement décrit à partir des propriétés de deux






Tableau 4 – Gains apportés par l’emploi de mousses métalliques dans un échangeur (d’après [15])

Structure de l’échangeur Tube Canal

Élément Unité Valeurs

Vitesse du gaz (m.s -1 ) 5 10 10 5

Débit du gaz (m 3 .s -1 ) 3,93.10 -4 7,85.10 -4 3,14.10 -4 3,93.10 -4

Nombre de Reynolds du gaz chaud – 2 108 4 216 8 433 1 869,7

f Coefficient de frottement – 0,637 0,429 0,429 4,130

DP/L Perte de charges (Pa.m -1 ) 5 754 15 481 15 481 10 965,7

Pp ̇η = 100 / L

Puissance pompage

(efficacité pompage = 100 %)

(W.m -1 ) 2,26 12,15 48,6 4,31

Conduit +

mousse

Pp ̇η = 100 / L

Puissance pompage


(W.m -1 ) 7,53 40,50 162,00 14,37

Nu Nombre de Nusselt – 700 1 400 2 100 98,2

h Coefficient de transfert de chaleur (W.m -2 .K -1 ) 2 296 4 592 3 444 363,46

q/L Flux/longueur mousse (W.m -1 ) 563 611,37 1014,15 86,94


Conduit seul

Bilan

N3801–12

f Coefficient de frottement – 0,045 0,038 0,031 0,034

DP/L Perte de charges (Pa.m -1 ) 52,9 178,7 72,9 45,1

Pp ̇η = 100 / L

Pp ̇η = 100 / L

Puissance pompage


Puissance pompage


(W.m -1 ) 0,021 0,14 0,229 0,018

(W.m -1 ) 0,07 0,467 0,763 0,06

Nu Nombre de Nusselt – 9,34 16,27 28,33 3,61

h Coefficient de transfert de chaleur (W.m -2 .K -1 ) 30,6 53,4 46,46 13,36

q/L Flux/longueur mousse (W.m -1 ) 44,28 73,64 127,6 5,67

DP/L (avec mousse) /DP/L (seul) Augmentation de perte de charge – 109 87 212 243

q/L (avec mousse) / q/L (seul) Gain en échange de chaleur – 13 8 8 15

( q − Pp η̇

) avec mousse −

q − Ppη̇

seul/

q Ppη̇

seul

( ) ( − )

Facteur de performance


Facteur de performance



% 1 167 715 658 1 362

% 1 156 680 572 1 194




––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


éléments air et alliage qui le constituent. Il est donc caractérisé

comme non béerien, car n’obéissant pas aux règles classiques établies

pour les mélanges, des recherches [22] sont actuellement en

cours sur ce sujet.

Ashby [1] propose une relation approchée qui détermine la

conductivité thermique l d’une mousse en fonction de sa densité

relative r/rs et de la conductivité ls du matériau constitutif de la

mousse :

q

λ ≈ λs ×( ρ/ ρs

) où q = 165 , à18

, (6)

Par ailleurs, la chaleur latente, la température de fusion, la chaleur

spécifique et le coefficient de dilatation thermique volumique

sont considérés comme identiques à ceux du solide qui constitue

la mousse.

Le tableau 5 récapitule les différentes valeurs clés issues de la

littérature pour diverses mousses métalliques.

Nota : La méthode de fabrication de la mousse, par les imperfections qu’elle crée dans

les brins, peut impacter fortement certains de ces paramètres et notamment la conductivité.

5. Isolation phonique

et vibratoire

Dans les domaines d’isolation phonique et vibratoire, ce sont

généralement les mousses à cellules non communicantes qui présentent

les caractéristiques les plus intéressantes.

5.1 Phonique

5.1.1 Coefficient d’absorption

Le coefficient d’absorption de son indique la quantité d’énergie

sonore absorbée par le matériau. Un matériau ayant un coefficient

d’absorption de 0,9 absorbe 90 % du son, ce qui correspond à un

changement du niveau sonore de 10 dB. Les mousses à structure

fermée présentent (figure 17) les meilleures caractéristiques en ce

domaine.

Absorption phonique

Alporas

Alporas compressé 10 %

Cymat d = 0,25

Cymat d = 0,14

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000

Fréquence (Hz)

Figure 17 – Variation du coefficient d’absorption phonique en

fonction de la fréquence sur des mousses d’aluminium à structure

fermée

Tableau 5 – Valeurs thermiques clés pour différentes mousses métalliques (d’après [1])


Fabricant Produit Matériau Densité relative

Conductivité

thermique l

(en W.m -1 .K -1 )

Chaleur

spécifique Cp

(en J.kg -1 .K -1 )

Coefficient de

dilatation thermique

volumique

(en 10 -6 K)

Alporas – Alu 0,07 - 0,2 3,5 - 4,5 830 - 870 21 - 23

Cymat – Alu + SiC 0,03 - 0,2 0,3 - 10 830 - 870 19 - 21

Alulight – Alu 0,1 - 0,35 3 - 3,5 910 - 920 19 - 23

ERG Duocel‚ Alu 0,05 - 0,1 6 - 11 850 - 950 22 - 24

CTIF Castfoam‚ S Alu 0,3 - 0,37 17 - 35 897 –

Exxentis – Alu 0,4 - 0,5 30 - 50 – –

Foamtech – Alu + SiC 0,07 - 0,15 0,27 – –

Fraunhofer Foaminal‚ Alu 0,15 - 0,37 – – –

CTIF Castfoam‚ K Cu 0,15 24 385 –

SELEE Corporation Porvair Cu 0,10 13 - 25 – –

Novamet Incofoam‚ Ni 0,03 - 0,04 0,2 - 0,3 450 - 460 12 - 14

Dunlop Equipment Retimet‚ Ni/Cr 0,05 0,26 – 6,06






Néanmoins, certaines mousses à structure ouverte, possédant

des cellules de petites tailles et des densités relatives élevées [23]

peuvent également offrir une utilisation potentielle, comme le

montre la figure 18 établie pour des densités relatives de 0,35.


L’absorption phonique des mousses métalliques est principalement

fonction du matériau constitutif de la mousse, du type de structure

des cellules, de la densité relative, et surtout de la fréquence, ainsi

bien évidement que de l’épaisseur de mousse considérée.

Les figures 17 et 18 situent les possibilités qu’offrent les mousses

d’aluminium. Cependant, pour certaines applications potentielles,

d’autres matériaux sont nécessaires, c’est notamment le cas

pour la conception d’absorbeur de son à l’intérieur des réacteurs

d’avion [24] où la température de sortie des gaz dépasse 600 C.

Les matériaux choisis (tableau 6) sont bien souvent alors des

INCONEL de type NiFe22Cr22Al6.

Le comportement de ces matériaux est en moyenne proche de

celui des mousses d’aluminium et on peut noter que, pour ces

applications, les mousses entrent en compétition avec les membranes

métalliques, les métaux frittés ou les fibres métalliques. Le

comparatif entre ces différents matériaux (figure 19) établit les

mousses métalliques comme compétitives. Pour ces dernières,

l’effet cumulatif du matériau constitutif, de la densité de la mousse

et de la taille de cellule prédomine sur l’effet de l’épaisseur de

mousse mise en œuvre.

Globalement, les résultats de ces mousses métalliques se montrent

intermédiaires entre ceux du métal fritté et ceux des fibres

de métal qu’elles peuvent prétendre concurrencer, dès lors qu’elles

présentent de très petites cellules et des taux de porosité de l’ordre

de 80 %.

5.2 Vibratoire

5.2.1 Rappel des grandeurs utilisées

dans le domaine vibratoire

Beaucoup de symboles existent qui définissent les capacités

d’amortissement vibratoire des matériaux. Le tableau 7 en résume

les principaux. Il est à noter que souvent, dans les publications, les

lettres et symboles employés pour la même grandeur s’avèrent différents

et peuvent donc prêter à confusion.

Pour des amortissements modérés (d<<1), la relation suivante

[27] permet une approche approximative pratique des différents

coefficients :

Q − 1 = tan φ = δ/ Π = Ψ/

2Π (7)

Ψ ouP ≈ 2 δ [ 27]

(8)


Coefficient d’absorption

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

Cellules 0,5 mm

Cellules 1 mm

Cellules 1 mm

0

200 1 200 2 200 3 200 4 200 5 200 6 200

Fréquence (Hz)

Figure 18 – Variation du coefficient d’absorption phonique en

fonction de la fréquence et de la taille des cellules sur des mousses

d’aluminium à structure ouverte (d’après [23])

Tableau6–Caractéristiques principales des moussesetautresmatériaux concurrents (d’après [24])

Repère Fournisseur Matériau constitutif

Porosité

(en %)

Taille cellules

(en mm)

Taille pore

(en mm)

Épaisseur

(en mm)

Mousse 1

95 1 200 656 21

Alantum

NiFe22Cr22Al6

Mousse 2 90 450 380 11,2

Mousse 3

Métal fritté SF

(Sintered flakes)

Fibre métallique SFF

(Sintered metal Fiber

Felts)

N3801–14

Mitsubishi

GKN Sinter Metals

Coefficient d’absorption

Haynes Alloy 230

(57Ni-22Cr-14W-2Mo-0,5Mn-

0,4Si-0,3Al-0,10C-0,02La)

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

Mousse 1

Mousse 2

Mousse 3

Métal fritté

Fibre métallique

0

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 8 000

Fréquence (Hz)

Figure 19 – Comparatif des coefficients d’absorption de 3 mousses

de densités différentes avec un métal fritté et des fibres métalliques

compressées (d’après [24])

82 – 121 4,5

Hastelloy X SF-7,5 50 – 115 6

Fe-22Cr-5Al 84 – 38 à 112 18





––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


Tableau7–Récapitulatif des principaux symboles caractérisant l’amortissement des vibrations

par des matériaux

Symbole

Nom

(en anglais)

Définition

Expression

Référence

bibliographique

Y ou P

Capacité d’amortissement

(damping capacity)

Quantité d’énergie relative dissipée

dans un cycle de vibration

DW/W [25]

d

Décrément logarithmique

(logarithmic decrement)

Ratio d’amplitude de vibrations en

amortissement libre

ln A n+1 /A n [A 410]

h

Facteur de perte

(lost factor)

Rapport de l’énergie perdue par cycle sur la valeur

crête de l’énergie potentielle

DE/2PU max [26]

tan f

Facteur de perte

(lost factor)

Tangente de l’angle de déphasage (généralement

noté Ô ou d) entre le signal d’entrée (excitation) et

le signal de sortie

tan f

ou

tan d

[A 410]

Q (quality factor) – 3 fr / Δ f

[27]

Q -1

Facteur de perte

(quality factor)

Caractéristique du frottement intérieur

d’un matériau

Dw/w 0 [A 410]

e mpd

Amplitude critique

(critical amplitude)

Amplitude au-delà de laquelle la déformation

devient micro-plastique

– [25]

D

Énergie spécifique d’absorption

vibratoire

(specific damping energy)

– DW [27]

D = ΔW = Ψ ouP × W [ 27]

(9)

35


( )( )= × −

( ) [ ]

SDC specific damping capacity Ψ ouP 100 1 e − 2δ 28 (10)

5.2.2 Spécificité des mousses

Dans les matériaux de type mousses utilisés en absorption vibratoire

[25], l’énergie perdue dans le matériau est d’abord élastique

puis viscoplastique.

& Les mesures d’amortissement de vibrations, connues et maîtrisées

pour des matériaux homogènes, deviennent délicates dans le

cas des mousses métalliques du fait de leur hétérogénéité. Des

méthodes spécifiques [29] sont proposées, notamment dans le cas

de mousses d’aluminium, afin d’obtenir des valeurs significatives

et répétables.

En effet, si l’amortissement, exprimé par le facteur de perte h, est

pratiquement indépendant de la fréquence dans les mousses d’aluminium,

en pratique les mesures indiquent de très fortes variations

attribuées aux différences de :

densité dans la direction de l’excitation de l’éprouvette ;

taille et forme des cellules ;

orientation des parois des cellules par rapport à la direction

de l’excitation.

L’emploi de différentes fréquences permet de pallier en partie ces

variations et d’étudier l’ensemble de l’éprouvette. Toutefois, la dispersion

des mesures (figure 20) reste souvent importante.

& Toutes les études montrent que les mousses métalliques présentent

de meilleures capacités d’absorption vibratoire que le matériau

constitutif de base. L’ordre de grandeur du facteur multiplicateur

est généralement annoncé entre 5 et 10.

L’étude vibratoire des mousses métalliques est complexe et montre

que, contrairement à un matériau dense, les mousses ne

Facteur de perte η x 10 4

30

25

20

15

10

5

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Masse volumique (g/cm 3 )

Les barres verticales représentent les dispersions à 2 σ.

Figure 20 – Moyennes de facteur de perte sur mousses d’alliage

Al Si12 (d’après [29])

présentent pas de pic vibratoire thermoélastique unique et bien

défini [30].

Il est également établi que la capacité d’absorption vibratoire

diminue logiquement avec l’augmentation de la densité de la

mousse. En effet, les porosités accentuent l’amortissement vibratoire

du fait des concentrations de contraintes locales et des changements

de modes autour des pores.

La composition du matériau constitutif de la mousse, en devenant

un composite, peut également participer à l’amortissement

vibratoire. C’est le cas, par exemple, du carbure de silicium utilisé

dans la fabrication de certaines mousses d’aluminium ou des particules

de renfort de type fibres de carbone volontairement injectées

dans d’autres mousses d’aluminium [31]. Dans ce dernier cas, le

facteur de perte est multiplié par 1,4 pour les plus fortes amplitudes

avec l’adjonction de 1,7 % de particules.







Coefficient d'amortissement δ

(multiplié par 10 pour Al)

0,45

0,4

0,35

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

Aluminium dense (δ x 10)

Alporas 0,4 (porosité 84 %)

Alporas 0,26 (porosité 90 %)

0

10 -5 10 -4 10 -3

Amplitude d'excitation ε

Figure 21 – Courbes d’évolution du coefficient d’amortissement

(d’après [32])

& L’absorption vibratoire est liée aux amplitudes de l’excitation et

l’on distingue généralement (figure 21) une amplitude critique e Cr1

au-delà de laquelle [32] cette absorption cesse d’être constante

pour augmenter rapidement.

Il existe également une seconde valeur critique (e Cr2 ou e mpd ) au-delà

de laquelle la boucle d’hystérésis devient ouverte et où des déformations

micro plastiques apparaissent. Enfin, un phénomène de fatigue

(figure 22) traduit l’instabilité de l’amortissement et induit une diminution

du module d’élasticité apparent de manière plus ou moins

importante en fonction de la porosité et des amplitudes de vibration.

La capacité d’amortissement augmente avec l’amplitude et le

nombre de cycles alors que le module d’Young E apparent

diminue [34].

& Finalement, le comportement de l’amortissement peut se décliner

en trois domaines distincts :

– une zone indépendante de l’amplitude (thermoélastique) ;

– une zone dépendante de l’amplitude avec réversion possible ;

– une zone dépendante de l’amplitude avec des déformations

irréversibles (déformations microplastiques et apparition de

microfissures).

Pour pouvoir réellement comparer des matériaux entre eux et

être à même d’utiliser les valeurs proposées, il est fondamental de

préciser l’amplitude de déformation élastique de la vibration. Ceci

conduit à la définition de la SDC (specific damping capacity)

(§ 5.2.1) comme « la valeur de y pris à une amplitude de

0,1 s 0,2 », où s 0,2 est la limite d’élasticité du matériau.

Les mousses métalliques, dans des conditions normales d’utilisation,

sont en réalité des composites air/métal et leur comportement

vibratoire (figure 23) est différent suivant les valeurs de pression

d’air qu’elles contiennent.

& Enfin, la capacité d’absorption vibratoire est intimement liée àla

température. De ce fait, les études portent généralement sur des

essais sous vide pour ne prendre en compte que le comportement

du matériau mousse métallique. La capacité d’absorption vibratoire

[30] augmente linéairement avec la température et reste intimement

liée à la fréquence de vibration. Une méthode pour augmenter

la capacité d’absorption vibratoire [25] consiste à créer des

défauts (dislocation, fissures..) en compressant la mousse. Une

compression de 50 % sur une mousse Alporas‚ permet, par exemple,

de faire évoluer le facteur Q -1 de 0,0025 à 0,004.

& Les mousses de nickel offrent une spécificité : elles présentent

des phénomènes d’hystérésis magnéto-élastiques spécifiques [34]

qui renforcent les phénomènes mécaniques de friction interne,

classiquement attribués aux dislocations. Cette contribution

magnétique à l’absorption vibratoire peut être augmentée par un

recuit et annulée par la création d’un champ magnétique saturant.

N3801–16

ε Cr1

ε Cr2

Δ E/E (%)


Une relation de dépendance simple et pratique du décrément

logarithmique d est proposée pour les mousses [32] et constitue

une bonne approche :

avec : P porosité,

D

f

0

20

40

60

80

100

10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7

N (nombre de cycles)

ε 0

représente le facteur d’amplitude initial

P 1

δ ≈

D 1−

P f

( )

taille de pore,

fréquence.

(11)

Un classement des mousses [3] basé sur la transmission

d’une vibration au matériau, prend en compte le coefficient d’amortissement

vibratoire (Md = h) rapporté à l’indice de matériau M u .

Cet indice est une fonction du module d’Young E et de la masse

volumique r du matériau constitutif de la mousse qui répond à la

formule :

Mu

= E 13 / / ρ

ε 0

= 0,0013

ε 0

= 0,0010

ε 0

= 0,0008

Figure 22 – Variation du module E en fonction du nombre de cycles

sur mousse Alporas‚ 0,25 (porosité 90 %) (d’après [32])

Facteur de perte Q -1

0,0025

0,002

0,0015

0,001

0,0005


0

10 -3 10 -2 10 -1 1 10 1 10 2 10 3

Pression (mbar)

Mousse Fraunhofer AlSiMg0,5 ( porosité 79% ), sous 1,85 +/- 0,1 kHz

Figure 23 – Dépendance à la pression, à faible amplitude, du

comportement vibratoire d’une mousse Fraunhofer (d’après [30])

Les valeurs de h annoncées sont comprises entre 0,002 et 0,01

pour les mousses d’aluminium, alors que les valeurs des alliages

d’aluminium se situent entre 10 -4 et2x10 -3 .




––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


Au global, dans le classement des matériaux [27], les mousses

d’aluminium se situeraient (figure 24) d’après les chiffres de décréments

logarithmiques trouvés dans la littérature, dans les valeurs

moyennes de l’indice. Le calcul de l’indice d’amortissement, à partir

du décrément logarithmique, correspond à SDC =100x(1- e - 2d)

dans des conditions de contraintes de 1/10 de la limite d’élasticité

de la mousse.

6. Médical

Le domaine médical utilise essentiellement les mousses métalliques

pour leur analogie de structure avec celle de l’os. De ce fait,

seules les mousses à structure ouverte sont concernées, de plus le

100

Magnésiun pur ( moulé )


SDC (specific damping capacity)

Alliages manganèse cuivre

Nickel pur

Fer pur

10

Aciers 12% Cr

Poudres métalliques compactés

Poudre d’aluminium frittée

Fontes moulées

1

Aciers inox austénitiques

Laiton de décolletage

Aciers au carbone ( 0,8 % )

Alliages d`aluminium

0,1

Figure 24 – Classement de l’amortissement vibratoire des mousses d’aluminium (d’après [27])


Valeurs basses Valeurs moyennes Valeurs hautes






matériau constitutif utilisé doit être hautement biocompatible.

Enfin, la mousse métallique utilisée doit présenter des caractéristiques

mécaniques proches de celles de l’os pour que son comportement

soit satisfaisant lors de charges importantes sur l’os réparé.

6.1 Apport des mousses métalliques

Du fait de son emploi fréquent dans le domaine médical, le titane

est le matériau le plus utilisé pour la fabrication de ces mousses.

Les recherches et les publications portent souvent sur les caractéristiques

comparées entre l’os et le titane. En effet, les modules

d’élasticité des deux matériaux sont assez éloignés, celui du titane

est de 110 GPa, alors que celui de l’os n’est que l’ordre de 20 GPa,

et cela peut poser problème, par exemple lors d’une forte sollicitation

sur un os réparé.

Heureusement, le taux de porosité et le mode de fabrication de la

mousse de titane impactent les caractéristiques mécaniques finales,

y compris le module d’élasticité, et il est ainsi possible de se

rapprocher du module d’élasticité de l’os.

Une autre solution consiste à changer de matériau ; des recherches

sur des composites (acier/ aluminium) fabriqués à partir de la

technologie des poudres font état d’un matériau léger adapté à la

fonction, sans préciser toutefois son niveau de biocompatibilité.

Logiquement, les propriétés recherchées pour ces mousses sont

d’une part les caractéristiques mécaniques, par rapport à celles de

l’os, et d’autre part les facteurs permettant de favoriser l’acceptation

de la mousse par l’organisme.

Ces caractéristiques importantes peuvent être prévues

(figure 25), dans le cas de fabrication de mousse par méthode

additive, grâce à des modélisations [33] qui sont ensuite confrontées

aux valeurs réelles.

6.2 Matériaux employés

Les mousses métalliques répondent en termes de biocompatibilité

car certains métaux utilisables pour leur fabrication ont déjà été

testés et validés de ce point de vue. Il s’agit principalement du

titane (déjà cité précédemment) utilisé comme matériau constitutif

des mousses métalliques, pour la fabrication des implants ou des

prothèses. Le tantale est également retenu pour réaliser des structures

poreuses à des fins médicales.

La comparaison entre les mousses de titane (Pliviopore‚) etde

tantale (Trabecular Metal) [34] indique que les deux matériaux

ont un comportement semblable en termes de biocompatibilité.

Par ailleurs, leurs caractéristiques mécaniques respectives restent

proches [35].

E (GPa)

3,5

3

2,5

2

1,5

1

0,5

Prédiction

Essais

0

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Densité apparente

Figure 25 – Évolution du module d’élasticité (d’après [33])

N3801–18

Des publications de recherche font également état de matériaux

bimétalliques (acier aluminium) qui présentent l’intérêt d’avoir un

module d’élasticité particulièrement proche de celui de l’os naturel.

6.3 Cellules

Le choix de la taille et de la forme des cellules de la mousse est

complexe compte tenu des différentes fonctions médicales

recherchées :

bonne intégration dans le squelette,

colonisation cellulaire,

diffusion/rétention des protéines,

formation de capillaires sanguins, revascularisation des tissus

osseux…

Néanmoins, la structure recherchée correspond généralement à

une macroporosité ouverte de 50 % minimum avec des pores interconnectés

de 200 à 1500 mm.

Recours à des solutions numériques

Pour pallier ces besoins en différentes tailles de cellules, des

solutions numériques ont été exploitées. Elles permettent une

maîtrise complète à la fois de la forme externe de l’implant et

de la structure cellulaire interne. Deux voies sont employées

après mesures et conception CAO du modèle à réaliser.

La première consiste à obtenir, par prototypage, un modèle,

généralement en cire ou en résine, qui servira à réaliser un

moule. Une fois le moule obtenu, le modèle est détruit et remplacé

par l’alliage liquide, la fusion s’effectuant sous vide compte

tenu de la spécificité delamétallurgie du titane. Le procédé utilisé

est très proche de la technique de fonderie cire perdue.

La seconde utilise une technologie additive, directement à partir

de poudre de titane fondue par un faisceau laser.

Ces techniques font l’objet de nombreux développements et

brevets [B1] [B4].

Des techniques de fabrication, consistant à développer successivement

deux tailles de cellules, ont également été mises au point.

La surface de la mousse n’est généralement pas laissée brute de

fabrication, mais soumise à des traitements spécifiques souvent

complexes [36] et destinés à accroître la biocompatibilité du matériau.

Les chiffrages de biocompatibilité induisent souvent des expériences

sur les animaux [36] pour permettre de mesurer la croissance

de l’os (figure 26) dans la mousse métallique. Une autre

solution d’étude consiste à pratiquer une culture de cellules [37] et

à étudier leur croissance.

20,0 kV x 1000 10µm

b

20,0 kV x 1000 10µm


avancement du front de croissance de l’os (en rouge) dans

une mousse de titane (en blanc)

100 µm

a b structure de la mousse (respectivement brute et après traitement)

c

a

c

Figure 26 – Mesures de croissance de l’os dans la mousse métallique

(source : Biomaterials 26 (2005) 6014-6023)




––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


Tableau 8 – Caractéristiques des mousses métalliques utilisées dans le domaine médical

Références

Matériau

Densité

Module d’élasticité

(en GPa)


en (MPa)

Résistance compression

en (MPa)

Os naturel (compact) 2,4 12 - 20 120 120

Os naturel (spongieux) – 3 – –

Titane (TiAl6V) 4,7 110 275 500

Mousses

Procédé d’obtention

Matériau

Porosité

(en %)

Module d’élasticité

(en GPa)


(en MPa)

Résistance compression

(en MPa)

Métallurgie poudre Titane 50 - 63 12 - 9 60 240

Support mousse polymère Titane 75 1 – 10

Méthode additive Titane 80 - 93 1 - 3,5 8 - 55 –

– Tantale 75 2,5 - 4 – –


Chute de tension (mV)

200

Contact (Cu/Cu)

180

Ecocontact ®

160

140

120

100

80

60

40

20

0

0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000

Intensité de courant (A)

Figure 27 – Évolution de la perte de tension au contact Cu/Cu avec

emploi de mousse métallique Ecocontact‚ (source Ecocontact)


Le tableau 8 ci-après présente les caractéristiques des mousses

métalliques employées dans le domaine médical pour la fabrication

d’implants avec, en référence, les caractéristiques des matériaux

vivants (os) qu’elles sont amenées à remplacer.

7. Propriétés électriques

7.1 Matériaux employés

Les structures retenues pour leurs propriétés électriques sont des

mousses métalliques à structure ouverte de type éponge.

Leur surface spécifique très importante a largement été

employée, notamment dans le cadre de l’industrialisation des

mousses de nickel utilisées dans les batteries à accumulateurs.

Conductivité relative

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

0

0,2

0,4

De par leur grand nombre de points de contact, les mousses présentent

également un intérêt sur la qualité des contacts électriques,

notamment pour les hautes intensités de courant. L’utilisation de

mousse très spécifique, à base d’argent, permet (figure 27) un

gain significatif sur la qualité d’un contact cuivre/cuivre dans le

cas de fortes intensités de courant.

La valeur de conductivité ou, a contrario, de résistivité électrique

d’une mousse est par ailleurs principalement pilotée par deux

facteurs :

la nature du métal qui la compose,

la densité relative de la mousse.

La figure 28 montre que, pour des mousses d’aluminium de

deux structures différentes, l’évolution de la conductivité [3] est corrélée

à la densité relative de la mousse.

0,6

Densité relative

Duocel ( pores ouverts )

Alulight ( pores fermés )

Les points correspondent aux valeurs mesurées, les courbes

aux précisions du modèle établi par Ashby.

Figure 28 – Évolution de la conductivité relative en fonction

de la densité relative de mousses d’aluminium à pores ouverts

ou fermés (d’après [3])


0,8

1






Les mousses employées sont généralement en nickel, elles présentent

de forts taux de porosités (de l’ordre de 95 %) et ont des

tailles de pores inférieures au millimètre. Compte tenu de l’application,

leurs épaisseurs sont millimétriques et les caractéristiques

(masse, production…) souvent ramenées à l’unité de surface.

Les fournisseurs les plus connus sont Novamet (produit

Incofoam‚) et Recemat (Recemat‚), mais d’autres fabricants proposent

également ce type de produit comme SELEE (produit

Metpore‚), KoreaMetalfoam, etc.

Le tableau 9 récapitule les caractéristiques clés des mousses

de nickel utilisées dans les fabrications de batteries

d’accumulateurs.

8. Support catalytique

8.1 Performances comparées

Dans les comparatifs avec des systèmes classiques, les mousses

métalliques peuvent prétendre améliorer les performances. Par

exemple, le comparatif présenté en figure 30 montre qu’une

mousse d’aluminium permet de réaliser un réacteur plus compact

qu’un nid d’abeille. Il faut une taille de particule de 300 mm àun lit

de billes pour être plus performant que la mousse d’aluminium en

termes de compacité. D’un autre côté, l’examen de courbes de pertes

de charge démontre que cette même mousse présente le meilleur

comportement face à tous les autres supports.

Les mousses métalliques présentent donc de gros avantages par

rapport aux lits de billes en offrant des pertes de charge jusqu’à

200 fois inférieures. Néanmoins, il convient de se méfier des diffusions

possibles du métal constitutif de la mousse dans le catalyseur,

car l’élément diffusé, le fer par exemple [38] [39], peut fortement

polluer le fonctionnement de la réaction de catalyse.



Les mousses concernées par l’application de support catalytique

sont également des mousses métalliques à structure ouverte.

Dans la plupart des cas, les mousses métalliques servent de support

et de conducteur thermique et subissent des revêtements de

surface spécifiques [B 5 ][B 7 ] qui ont pour but de :

créer un support catalytique et augmenter la surface

spécifique,

adapter le matériau de surface aux réactions chimiques

recherchées.

Généralement, une première couche de support catalytique est

déposée (Al 2 O 3 , ZrO 2 , etc.) avant la mise en place de la couche du

catalyseur qui utilise les porosités du support catalytique. Dans ce

type d’application, les essais et recherches portent moins sur la

mousse métallique par elle-même que sur les supports catalytiques,

le catalyseur et la résistance de l’accrochage des couches

sur leurs supports.

Néanmoins, comme pour les échangeurs thermiques, la morphologie

de la mousse métallique impacte directement la circulation

du fluide (pertes de charge et transfert thermique). À porosité et formes

équivalentes, la rugosité de la surface de la mousse et la

forme des brins peuvent significativement influer [3].

Cette rugosité de surface est d’une échelle très inférieure à celle

des pores de la mousse métallique comme l’illustre la figure 29 où,

pour une taille de pore millimétrique, la taille des cristaux du catalyseur

est de l’ordre de 10 mm.

Compte tenu des applications exigeantes en termes de corrosion et

de températures, les matériaux utilisés sont surtout le nickel et les

aciers inoxydables, mais on trouve également du cuivre ou du laiton,

Figure 29 – Images au MEB de cristaux de ZSM-5 (zéolithe Si/Al = 15)

(source : Catalysis Today (2013) 216, 135-141)

Tableau9–Caractéristiquesdesprincipalesmoussesdenickelutilisées

Fabricant Produit Tailles de pore

Recemat

Novamet

N3801–20

Recemat‚

Incofoam‚

Surface spécifique

(en m 2 /m 3 )

Porosité

(en %)

Épaisseur plaques fabriquées

(en mm)

0,35 6 900 95 1,4

0,9 1 600 95 (3-13)

0,45 – 97 1,6

0,8 – 96 2,2





L (m)

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––


Δ P (KPa)

10 000

1 000

100

10

1

0,1

0,01

Lit de billes 2 mm

Lit de billes 0,3 mm

Nid abeille 400 cpsi

Mousse Alu 40 ppi

Mousse FeCrAl 30 ppi

0,001

0,01

100 150 200 250 300 100 150 200 250 300

Température ( °C )

Température ( °C )

100

10

1

0,1

0,01

Figure 30 – Comparatif, à iso propriétés de catalyse, de différents supports catalytiques (d’après [21])


Conversion MeOH (%)

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

Nickel

FeCrAl

Cuivre

Laiton

0

0 2 4 6 8 10

Vitesse spatiale horaire du gaz (1/h)

Figure 31 – Influence de l’alliage constitutif de la mousse sur

l‘efficacité de la réaction (d’après [39])

Conversion de particules (%)

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

Ratio particules/ couche catalyseur

1 / 2

1 / 5

1 / 6

1 / 8

0

250 300 350 400 450 500 550 600

Température (°C)

Figure 32 – Influence de la température sur le taux de conversion

des particules de carbone issues de la combustion d’un moteur

diesel sur un catalyseur Co, Ba, K/ZrO 2 (d’après [40])

et même parfois des mousses d’aluminium, voire d’argent. En fonction

des réactions, certains métaux peuvent se révéler comme nocifs

par réaction avec les produits traités en freinant la réaction cherchée.

Par exemple, dans le cas de vapeurs de méthanol, le cuivre ou le laiton

(figure 31) sont préférables au nickel ou aux aciers. Cet effet de

nocivité [39] est attribué à la diffusion des atomes métalliques de la

mousse dans le support catalytique et le catalyseur.

Les fonctions de catalyse sont assurées par les couches de catalyseurs

déposées sur les mousses métalliques. Par exemple (figure 32),

il s’agit d’éliminer en continu les particules fines de carbone issues

d’un moteur diesel [40]. La mousse métallique, utilisée comme support,

est une mousse Porvair en acier inoxydable traité, recouverte du

support catalytique ZrO 2 sur lequel est fixé le catalyseur Co, Ba, K.

Le tableau 10 propose une synthèse des principales caractéristiques

de mousses métalliques utilisées dans différents types

d’applications.

9. Design

10 mm

Figure 33 – Variations de rendu sur composite bi-élément aluminium/

laiton (source : CTIF)

Les propriétés d’aspect utilisées pour la fonction de design

dépendent étroitement de la structure de la mousse métallique.

Outre les aspects intrinsèques de la mousse décrits ci-avant, il

est possible, par un usinage adapté, d’obtenir des aspects très différents

en fonction des cellules découvertes lors de l’usinage.

Cymat utilise cette propriété sur ses mousses stochastiques avec

son produit Alusion.

Sur des structures régulières, avec des composites bi-matériaux,

des plans de coupes différents permettent de créer des motifs très

variés à partir d’une même structure de base (figure 33).

Le matériau le plus employé est certainement la mousse d’aluminium

pour des questions de facilité de production, de légèreté et

également de bonne résistance à la corrosion du matériau.






Tableau10–Caractéristiques principales des mousses utilisées

Matériau mousse

Pore

moyen

(en ppi)

Fournisseur

Porosité

(en %)

Support

catalytique

Couches

Catalyseur

Fonction

Ni 40 – 90 Al 2 O 3 Pt

Acteur de la recombinaison d’hydrogène

dans l’oxygène de l’air créant de la vapeur

d’eau

Ni

FeCrAl (72, 21, 7)

Cu

CuZn (90, 10)

Acier inox

AlSi314

100 – – Al 2 O 3

Zr dopé

Cu/Zn/Al

50 Porvair – ZrO 2 Co, Ba, K

Production d’hydrogène à partir de

méthanol (micro réacteur embarqué pour

véhicules moteur pile combustible H 2 )

Filtrage et combustion des particules de

carbone issues du moteur diesel

FeCrAl 40 Porvair 95 Al 2 O 3 Pt

Oxydation sélective de CO dans

l’hydrogène

Tableau11–Caractéristiquesprincipalesdesmoussesselon[3]

Symbole Caractéristiques Structure ouverte (éponge) Structure fermée (mousse)

E Module d’Young (en GPa) (0,1 - 4) E s (r/r s ) 2 (0,1 - 1,0)E s (0,5 (r/r s ) 2 + 0,3 (r/r s ))

s c Résistance à la compression (en MPa) (0,1 - 1) s cs (r/r s ) 3/2 (0,1 - 1)s cs (0,5 (r/r s ) 2/3 + 0,3 (r/r s ))

G Module de cisaillement (en GPa) ª 3/8 E


K Module de compressibilité (en GPa) ª 1,1 E

E f Module de flexion (en GPa) ª E

n Coefficient de Poisson 0,32 - 0,34

s t Résistance à la traction (en MPa) ª (1,1 - 1,4) s c

s e Limite d’endurance (en MPa) ª (0,5 - 5) s c

e D Déformation de densification (0,9 - 1) (1 - 1,4 (r/r s ) + 0,4 (r/r s ) 3 )

h Coefficient de perte ª (0,95 - 1,05) h s /(r/r s )

l Conductivité thermique (en W/m.K) (r/r s ) -1,6 < l/l s <(r/r s ) -1,85

–

Température de fusion, chaleur spécifique,

chaleur latente, dilatation thermique.

10. Autres propriétés

Ashby [3] propose une approche intéressante qui permet d’obtenir

un ordre de grandeur des principales caractéristiques physiques

des mousses métalliques. Cette approche est basée sur les propriétés

des métaux constitutifs, sur les densités relatives et sur les

structures des mousses. Le tableau 11 reprend les principales données

de son ouvrage.

Valeurs identiques à celles du solide constitutif

R Résistivité électrique (en 10 -8 W.m) (R/R s ) -1,6 < l/l s <(R/R s ) -1,85

Les indices (s) correspondent aux valeurs du solide plein (alliage de base constitutif de la mousse).

N3801–22

11. Conclusion


Les propriétés intrinsèques des mousses métalliques, qui appartiennent

à la famille des matériaux cellulaires, sont principalement

fonction de leur morphologie, des matériaux constitutifs, ainsi que

de leur densité relative. Ces propriétés sont souvent étudiées au

regard des fonctions applicatives envisagées et restent fortement

tributaires des procédés utilisés pour leur fabrication.




––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––



Les structures fermées offrent des caractéristiques supérieures

pour les propriétés d’absorption phonique ou d’absorption d’énergie.

En revanche, elles ne peuvent pas, par définition, prétendre

accéder aux domaines des échanges thermiques ou électriques,

voire à celui des implants médicaux où les structures ouvertes

excellent. Plus généralement, les mousses métalliques sont en

compétition, en fonction des propriétés recherchées, avec d’autres

matériaux cellulaires comme les mousses céramiques ou les structures

en nid d’abeille.

Les recherches sur les propriétés de ces produits sont toujours

très actives non seulement sur les mousses métalliques ellesmêmes,

mais aussi sur la nature des surfaces fonctionnelles de

ces mousses, notamment dans les domaines des échanges électriques

et du médical pour l’intégration de ces produits dans le corps

humain.

12. Glossaire – Définitions

anisotrope ; anisotropic

En opposition à un milieu isotrope, dans un milieu anisotrope les

propriétés physiques varient en fonction de la direction suivant

laquelle on observe le milieu.

catalytique ; catalytic

Une application catalytique utilise la catalyse qui est l’action par

laquelle une substance (le catalyseur) modifie la vitesse d’une réaction

chimique, sans apparaître dans le bilan réactionnel.

courbes d’iso-endommagements ; isodamagecurves

Ces courbes regroupent des points qui présentent les mêmes

valeurs d’endommagement, de formation de microfissures ou de

microcavités au sein d’un matériau soumis à une déformation.

énergie cinétique ; kineticenergy

Il s’agit de l’énergie accumulée dans un corps en mouvement.

hystérésis ; hysteresis

L’hystérésis correspond à undécalage, dans l’évolution d’un phénomène

physique par rapport à sa cause. Les propriétés présentées

à un instant donné ne dépendent pas seulement des paramètres

décrivant le système à cet instant, mais aussi de toute son évolution

antérieure.

isostatique ; isostatic

Une structure est qualifiée d’isostatique quand les sollicitations

relatives à une section quelconque peuvent être déterminées à partir

des seules équations de la statique. Dans cette structure, tous les

points présentent la même formule d’équilibre.

module d’Young ; Young’s modulus

Il est également désigné comme module d’élasticité de Young,

module d’élasticité longitudinale ou module de déformation longitudinale.

Il correspond, pour des matériaux élastiques, au rapport

établi dans le sens de la longueur entre la variation de contrainte

et la variation de déformation, lorsque ces matériaux sont soumis

à des efforts de traction ou de compression.

non béerien ; non beerian

Un milieu non béerien est caractérisé par le fait que la loi de Berr

ne s’y applique pas. La loi de Beer-Lambert établit un lien de proportionnalité

entre l’absorption de la lumière dans une solution, la

concentration d’un élément chimique de cette solution et la longueur

parcourue par la lumière.

pores per inch (ppi) ; pores per inch (ppi)

Il s’agit d’une unité de mesure anglo-saxonne de la résolution

d’une structure poreuse, qui correspond au nombre de pores

contenus dans une longueur d’un pouce.

stochastique ; stochastic

Cet état correspond à des phénomènes aléatoires, liés aux probabilités.

Une mousse stochastique présente, dans l’espace, un empilement

aléatoire de ses cellules.

viscoplastique ; viscoplastic

Cet état correspond à celui d’un solide à la fois plastique et visqueux.

Il est caractérisé par le fait que si les contraintes restent

inférieures à un certain seuil, les déformations sont petites.

zéolithe ; zeolite

À la base, il s’agit de silicate naturel de certaines roches volcaniques.

Les zéolithes sont remarquables par la mobilité de leur eau et

de leurs cations et sont, de ce fait, utilisés dans les tamis moléculaires

et les échangeurs d’ions.





Mousses métalliques

Propriétés

par Yves GAILLARD

Ingénieur École Supérieure de Fonderie (ESFF)

Ingénieur projet, Centre Technique des Industries de la Fonderie (CTIF), Sèvres, France

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Copyright © - Techniques de l’Ingénieur - Tous droits réservés Doc. N 3 801 –1

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À lire également dans nos bases

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Materials volume 13, issue 11, 1066-1071

(2011).

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[B1] Procédé de fabrication d’un dispositif médical interne,

WO 2007017612 A2.

[B2] Structures denses/poreuses utilisées comme substituts osseux,

WO 2002083188 A2.

[B3] Implant poreux, WO 2007016796 A1.

[B4] Mise en place d’un filetage dans un dispositif médical poreux,

WO 2011002781 A2.

Site référent

http://www.metalfoam.net/

Revendeurs de mousses métalliques :

http://www.goodfellow.com/catalogue/GFCatalogue.php?Language=F

http://www.krreynoldscompany.com/Duocel-Data-Sheet-s/46.htm

http://www.tomo-e.co.jp/e/product/functional/aluminiumfoam.html

http://www.stylepark.com/fr/alcarbon/alporas-ac-nature

Salon : Metfoam a lieu tous les deux ans (années impaires), le lieu change

à chaque salon,

http://metfoam2015.org

Doc. N 3 801 –2

Brevets

Sites Internet

Événements


[B5] Method for preparing a catalytic metal foam and use thereof,

US 2895819 A.

[B6] Method for making a cobalt metal foam, EP 2537581 A1.

[B7] High-durability metal foam-supported catalyst for steam carbon

dioxide reforming and method for preparing the same, US 20140138585 A1.

[B8] Porous metal catalysts for oxygen reduction, WO 2010138138 A1.

[B9] Matériaux de mousse métallique pour contact des connexions électriques,

EP 1602153 B1.

Fournisseurs de panneaux sandwich intégrant des mousses métallique :

http://en.metalfoam.de/metalfoam/

http://www.isotechinc.com/foamed-aluminum.htm

http://fr.made-in-china.com/co_chinabeihai/product_group_Aluminum-

Composite-Panel_ugnsusssss_1.html

http://www.chinabeihai.net/

Salon : Cellmat a lieu tous les deux ans (années paires) en Allemagne

http://www.dgm.de/dgm/cellmat/





––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Constructeurs — Fournisseurs — Distributeurs (liste non

exhaustive, le site référent contenant une liste

régulièrement mise à jour)

ALANTUM, producteur allemand et coréen de mousses à structure

ouverte de nickel et de fer

http://www.alantum.com/en/special/manufacturing.html

AULIGHT, fabricant autrichien de mousse d’aluminium par technique de

métallurgie des poudres

http://www.ecka-granules.com/de/produkte/alulightr/

ALUSION, division de Cymat fabricant canadien de mousses d’aluminium

sous forme de panneaux destinés à des applications de design

http://www.alusion.com/home.html

ALVEOTEC, fabricant français de mousses d’aluminium et de pièces de

fonderie intégrant des mousses d’aluminium

http://www.alveotec.fr/fr/

CYMAT, fabricant canadien de mousses d’aluminium par moussage

http://www.cymat.com/

DUNLOP EQUIPEMENT, fabricant anglais de mousses métalliques résistant

à haute température

http://www.dunlop-equipment.com/prod_retimet.htm

AMC ETEC (ECOCONTACT), fabricant français de mousses métalliques

multicomposants destinées aux contacts électriques à forte intensité

http://www.amcetec.com/ecocontact

ERG, fabricant américain de mousses à structure ouverte et vendeur de

composants intégrant des mousses métalliques

http://www.ergaerospace.com/

Annuaire


EXXENTIS, fabricant suisse de mousse d’aluminium

http://www.exxentis.com/

FOAMTECH, fabricant coréen de mousses d’aluminium à structure fermée

http://www.foamtech.co.kr/eng02/

INTEGRAN, fabricant canadien de mousses de nickel à pores ouverts utilisable

en absorption de choc ou de bruit

http://www.integran.com/products/metal-foams/

MITSHUBSHI MATERIALS, fournisseur japonais de plaques de mousse

d’aluminium à structure ouverte de faible épaisseur

http://www.mmc.co.jp/nfac/hpm/okegawa/OHP/english/products/metalfoam/aluminum.html

RECEMAT, fournisseur hollandais de mousses d’alliages de nickel

http://www.recemat.nl/fra/

SPECTRA-MAT, fournisseur américain de mousses de tungstène et de

molybdène

http://www.spectramat.com/porousRefractoryMetals.html

Laboratoires — Bureaux d’études — Écoles — Centres

de recherche (liste non exhaustive)

Centre technique des industries de la fonderie (CTIF)

http://www.ctif.com/recherche-fonderie-mousses-metalliques/

Fraunhofer institute, Institut allemand développant notamment des mousses

par métallurgie des poudres

http://www.iwu.fraunhofer.de/de/schaumzentrum.html

Copyright © - Techniques de l’Ingénieur - Tous droits réservés Doc. N 3 801 –3

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