Qu'est ce qu'un matériau cellulaire?
Matériaux Cellulaires
Un matériau cellulaire est définit comme un matériau poreux possédant un agencement structural ordonné, ayant un rapport matière/air relativement faible. L’agencement structural permet de répondre à plusieurs types de contraintes : mécanique, thermique, tout en restant léger.
A l’état naturel on trouve ce type de structures dans le bois, les éponges ou encore les os et les dents.
Vous trouverez plus de photos en cliquant ici.
Compte tenu de ces propriétés très intéressantes (légèreté et solidité), l’Homme a donc créé des matériaux cellulaires synthétiques pour subvenir à ses besoins.
Il existe deux types de structures majeures : la structure en nid d’abeille et la structure en éponge.
La structure en nid d’abeille présente des cellules de taille et de forme régulières. Elle est utilisée afin de renforcer la résistance d’un élément tout en garantissant une légèreté maximale (taux de vide d’environ 95%). Elle est utilisée en particulier pour absorber les chocs car elle possède une aptitude à se déformer et à absorber les ondes mécaniques. La structure en nid d’abeille peut être fabriquée à partir d’aluminium, de papier (carton) ou de matières plastiques. On trouve cette structure dans l’industrie aéronautique pour le remplissage de volumes creux, mais aussi dans l’automobile, le nautisme et l’éolien.
La structure en éponge ou appelée aussi mousse présente des cellules ouvertes de taille et de forme différentes. Le taux de vide est de l’ordre de 95%. On la retrouve chez les êtres vivants dans les os et le bois où elle permet la connexion entre les cellules. Ces propriétés offrent une très grande polyvalence quant à son utilisation. On la retrouvera dans le domaine de l’ingénierie mais aussi dans la mécanique, l’aéronautique, la chimie (catalyseur poreux) et le médical (implants en céramique).
Ces matériaux ont été créés assez tard industriellement. Le premier fut la brique cuite pour ses propriétés thermiques vers 3500 avant J-C.
Quelques utilisations de matériaux cellulaires
La structure poreuse de ces matériaux leur confère un grand nombre de propriétés et leur permet d’être utilisés pour de nombreuses applications différentes.
Dans le cadre de notre projet nous nous sommes concentrés sur l’acoustique des matériaux poreux. Par acoustique nous entendons les phénomènes dissipatifs qui prennent place au coeur de ces matériaux quand des ondes acoustiques viennent s’atténuer en les traversant.
Mais ce n’est pas tout, les matériaux cellulaires sont également très utilisés dans le bâtiment, le transport et l’aéronautique pour leurs propriétés thermiques par exemple.
Le béton cellulaire ,par exemple, est un matériau de construction qui comporte des avantages intéressants pour le bâtiment. De part sa structure poreuse, il apporte un certain confort thermique dans l’habitat en limitant les pertes de chaleur en hiver et de fraîcheur en été. C’est également un bon isolant phonique.
Le ratio matière/air dans ces matériaux étant très élevé, ils ont une très bonne capacité à amortir les chocs et donc à absorber l’énergie en cas d’impact.
Par exemple, en tant de guerre, certains colis étaient lancés depuis des avions et enveloppés d’une épaisse couche de carton ayant une structure en nid d’abeille. L’impact au sol provoquait une déformation du carton qui absorbait toute l’énergie cinétique accumulée pendant la chute. Le colis pouvait donc être réceptionné sans dommage.
Plus généralement, le carton, comme d’autres matériaux cellulaires sont utilisés dans le secteur du conditionnement pour des opérations de manutention. Ces matériaux de protection aident à la rigidification des emballages et donc à la bonne conservation des produits.
La conception de matériaux innovants pour l’aérospatial doit satisfaire deux critères essentiels : l’augmentation des performances mécaniques et la minimisation de la masse. Cette double exigence conduit à s’intéresser à la classe des matériaux cellulaires. Ces matériaux ont la spécificité que leurs propriétés physiques dépendent à la fois de leur matériau constitutif ainsi que de leur agencement spatial. Les mousses métalliques et les nid-d’abeilles sont des exemples de matériaux cellulaires pour ce genre d’utilisations.
Les matériaux cellulaires à l'ENSIACET
Notre école est constituée d'une multitude de matériaux cellulaires que nous pouvons observer dans n'importe quelle salle de cours, amphithéâtre ou encore à la médiathèque.
Pour mieux comprendre leur utilité, nous avons accédé aux dossiers de construction de l'école pour comprendre le choix de ces matériaux ainsi que leur emplacement.
Vous trouverez ci-dessous la description de certains d'entre eux, remarquables facilement dans l'école.
L'amphi 300 par exemple est constitué en grande partie de plaques de plâtre avec des trous alternés de 1 et 2 centimètres de diamètre. Nous retrouvons ce matériau au plafond et sur une partie de ses murs, comme le montre la photo ci dessous.
Le plâtre étant un matériau très poreux, il est à lui seul un bon isolant phonique et réduit la propagation du son qui le traverse.
Le fait d'avoir conçu l'amphithéâtre avec des plaques en plâtre trouées confère une porosité macro et microscopique au matériau, et lui permet d'amortir une large gamme d'ondes sonores pour ne pas quelles se réfléchissent et accentuent le niveau sonore global de la salle.
Nous retrouvons également des plaques en bois avec des trous plus petits (1 centimètre de diamètre) et plus rapprochés.
Dans les salles de cours, qui accueillent moins de monde, nous retrouvons des faux plafonds ayant aussi une capacité à absorber le son, mais moindre celles des matériaux décrits plus haut.
Ces plafonds sont composés de plaques amovibles de dimensions 60 cm x 60 cm et d'épaisseur 2 cm , constituées de laine de verre recouverte d'une fine couche de plâtre.
Ces matériaux étant à porté de main, nous les avons étudié de plus près en les regardant au microscope optique et, à défaut d'avoir une bonne résolution en profondeur, à la loupe binoculaire et au MEB.
Nous voyons ainsi que la laine de verre est bien un matériau cellulaire (très aéré) et que celle-ci occupe la quasi totalité de la plaque.
L'observation de la surface de la plaque au MEB, nous indique que le plâtre présente très peu, voire pas, de porosité. Nous ne pouvons donc pas conclure sur sa fonction d'isolant acoustique. Celui-ci ne semble donc pas participer à l'absorption sonore, et servirait juste à enrober la laine de verre qui ne doit pas être mise à nue car cancérigène.
Les plaques des faux plafonds ont donc une fonction esthétique, sont des isolants thermiques et sont facile à pauser et à déplacer.
De manière générale, tous les matériaux cellulaires de l'école sont conçus pour l'isolation acoustique et thermique des salles et des amphithéâtres. Selon le nombre de personnes et la taille de la salle, ceux-ci diffèrent pour s'adapter aux besoins. En effet, plus il y a de monde, plus le niveau sonore est élevé, plus le matériau doit avoir une bonne absorbance sonore pour que l'orateur soit toujours entendu.
Ces matériaux sont aussi étudiés pour être esthétiques et donner un bel aspect moderne à l'école. Certains sont également conçus pour être faciles à déplacer comme les faux plafonds qui cachent des canalisations auxquelles il faut avoir accès facilement pour la maintenance.