MÉTHODES DE CARACTÉRISATION DE LA MICROSTRUCTURE DES MATÉRIAUX

Selon l’information relative à la microstructure des matériaux recherchée, différentes méthodes de caractérisation peuvent être utilisées. La microscopie électronique à balayage permet d’observer des coupes d’échantillons polies et permet ainsi d’avoir des informations quant à la microstructure des matériaux. Ces informations sont cependant qualitatives, bien qu’on puisse effectuer des mesures dimensionnelles, puisqu’elles ne fournissent des informations que sur la surface 2D observée. Cette méthode a été utilisée dans la détermination des mécanismes d’endommagement des matériaux.

La porosimétrie permet quant à elle d’obtenir une information quantitative : le taux de porosité des échantillons analysés. On peut également en déduire le taux volumique de fibres. Selon la méthode utilisée, la précision des mesures et les informations que l’on peut en tirer ne sont pas les mêmes. Les deux méthodes de porosimétrie utilisées dans cette thèse, à savoir la porosimétrie par poussée d’Archimède dans de l’eau et la porosimétrie par intrusion de mercure, sont présentées dans les paragraphes suivants. Une méthode plus innovante a également été utilisée pour caractériser la microstructure des matériaux étudiés : la tomographie à rayons X. Les résultats obtenus par cette méthode ont été comparés aux résultats obtenus avec les autres méthodes d’analyse.

2.1. Mesure et répartition du taux de porosité

2.1.1. Porosimétrie par poussée d’Archimède dans de l’eau

La porosimétrie à l’eau permet de déterminer le taux de porosité ouverte d’un échantillon. Il s’agit d’une méthode intrusive mais non destructive, l’échantillon pouvant être séché une fois les mesures effectuées. Cette technique permet d’investir des pores ayant un diamètre supérieur ou égal à 0,5 nm, ce qui correspond à la taille de deux molécules d’eau [40]. Afin de déterminer le taux de porosité de l’échantillon, il est nécessaire d’effectuer des pesées :

 de l’échantillon sec : ,

 de l’échantillon totalement saturé en eau : ,

 de l’échantillon immergé dans l’eau : . On obtient ainsi les grandeurs suivantes :

La masse d’eau contenue dans les pores accessibles à l’eau :

Équation 1

Le volume des pores :

Équation 2

où est la masse volumique de l’eau à la température de mesure

Le volume apparent de l’échantillon :

Équation 3

La porosité totale accessible à l’eau :

Équation 4

Cette méthode nécessite de bien sécher les échantillons avant de les peser ( ) et de faire le

vide dans les échantillons avant de les immerger dans l’eau afin d’optimiser la pénétration de l’eau dans les pores ( ). Pour les mesures, réalisées à l’Onera, les échantillons ont été séchés dans

une étuve à 95°C pendant 24h avant d’être pesés. Avant d’être plongés dans l’eau pour les mesures

de et , les échantillons ont été placés dans une cloche à vide afin d’éliminer

l’air des porosités. Il est par ailleurs important de noter que les échantillons baignant dans l’eau doivent être essuyés avec un tissu mouillé avant d’être pesés pour la mesure de . La quantité

d’eau essuyée, et par conséquent la mesure de porosité, dépend ainsi de l’opérateur et pose des problèmes de reproductibilité. L’erreur de mesure est généralement de l’ordre de 1 % avec cette méthode.

Cette méthode simple, peu coûteuse et non destructive ne permet cependant de déterminer qu’un taux de porosité global, sans aucune indication quant à la distribution des pores selon leur taille. Pour accéder à cette information, il est nécessaire d’avoir recours à la porosimétrie par intrusion de mercure. La porosimétrie à l’eau présente néanmoins l’avantage de pouvoir être appliquée à des échantillons de taille nettement supérieure à celle des échantillons utilisés dans le cas de la porosimétrie par intrusion de mercure.

2.1.2. Porosimétrie par intrusion de mercure

Comme la porosimétrie à l’eau, la porosimétrie par intrusion de mercure (PIM) est une méthode intrusive. Il s’agit néanmoins cette fois d’une technique destructive. Elle permet non seulement de mesurer le taux de porosité d’un échantillon, dans la mesure où le diamètre des pores est compris entre 3 nm et 400 µm, mais elle donne également accès au spectre des tailles de pores [40] [41]. Le mercure étant un fluide non mouillant vis-à-vis de la quasi-totalité des solides, il est nécessaire d’appliquer une pression pour le faire pénétrer dans un échantillon, préalablement séché puis placé dans un pénétromètre mis sous vide. En émettant l’hypothèse qu’un pore est cylindrique, la relation entre la pression exercée et le rayon du pore considéré est donnée par l’équation de

Washburn :

Équation 5

où est la tension superficielle du mercure (en N.m-1) et l’angle de contact entre le mercure et la

surface du pore. Ainsi, connaissant le volume de mercure injecté dans l’échantillon en fonction de la pression, il est possible de déterminer le taux de porosité ainsi que la répartition en taille de pores en fonction de la taille du col d’accès aux pores ( ) [40].

Bien que cette méthode de porosimétrie apporte plus d’informations que la porosimétrie à l’eau, elle a également ses limites. On peut notamment citer le fait qu’il est nécessaire d’émettre l’hypothèse que les pores sont cylindriques, ce qui est rarement le cas ; de plus, l’intrusion de mercure peut, du fait de la pression appliquée, endommager le matériau. Enfin, la qualité des mesures dépend de la gamme de pression que l’on peut appliquer avec le porosimètre utilisé et du séchage des éprouvettes.

Les mesures de porosité par intrusion de mercure ont été réalisées à l’Institut des Sciences Moléculaires (ISM) de Bordeaux grâce à un appareil Micromeritics Autopore IV 9500 permettant de déterminer la distribution de la taille des pores de 3 nm à environ 360 µm [42]. Les éprouvettes analysées sont les mêmes que celles ayant fait l’objet de porosimétrie à l’eau. Cependant, la taille du pénétromètre ne permettant pas d’y introduire les échantillons entiers, il a été nécessaire de découper des échantillons de 5 mm x 5 mm x épaisseur. Pour chacune des éprouvettes, un seul échantillon découpé a été analysé. Le fait de disposer des mesures obtenues par porosimétrie à l’eau et par porosimétrie à intrusion de mercure a permis de comparer les résultats obtenus avec les deux méthodes. Les valeurs de l’angle de mouillage entre le mercure et l’alumine et de la tension superficielle du mercure ont été fixées, respectivement, à 130° et 0,485 N.m-1. Il s’agit des valeurs par défaut lorsque, pour un matériau donné, les données sont indisponibles.

2.1.3. Tomographie à rayons X

Cette technique née dans les années 1970 et destinée initialement à un usage médical est aujourd’hui utilisée dans l’industrie. Il s’agit d’une technique non destructive qui permet la reconstruction d’images en coupe d’un objet à trois dimensions ; les images tridimensionnelles sont obtenues à partir d’une série de radiographies X. Le principe de la tomographie à rayons X repose sur l’analyse multidirectionnelle de l’interaction d’un faisceau de rayons X avec la matière, par détection du rayonnement transmis après traversée d’un objet [43]. Les données acquises lors des mesures permettent de reconstruire, mathématiquement, une image en niveaux de gris du matériau. Pour

chaque point d’acquisition, les niveaux de gris de l’image reconstruite correspondent au coefficient d’atténuation local du faisceau incident. Après étalonnage, les coefficients d’atténuation peuvent être traduits en échelle de densité, ce qui permet d’avoir des informations sur la microstructure du matériau analysé.

Les coefficients d’atténuation dépendent du matériau traversé et de la longueur d’onde du faisceau. Chaque radiographie obtenue est une projection des informations d’atténuation le long du trajet des photons. Grâce à la mise en rotation de l’échantillon, des radiographies sont acquises sous différents angles. Ces acquisitions permettent ensuite, par un algorithme, de reconstituer des images en coupe de l’échantillon. La superposition de ces images permet de reconstruire l’échantillon en 3D. La Figure 21 illustre ce principe.

Figure 21 Principe de la tomographie à rayons X [44].

Quelques éprouvettes à renforts bi- et tridimensionnel sont été scannées après élaboration, chez Safran Composites, qui dispose d’un microtomographe à rayons X phoenix v|tome|x L 300 commercialisé par General Electric Sensing and Inspection Technologies.