Tomographies

Pour caractériser en trois dimensions le réseau poreux des aérogels de silice à l’échelle nanométrique jusqu’au composite à l’échelle micronique, les techniques de tomographie sont parfaitement adaptées.

La tomographie est une technique permettant l’acquisition des images à différentes orientations de l’échantillon puis la reconstruction de ces images par addition de chaque coupe obtenue pour avoir un volume dans les trois directions de l’espace.

Les échantillons étant très poreux, fragiles au faisceau d’électrons et absorbant peu les rayons X, il a été nécessaire d’adapter les protocoles expérimentaux.

globalement par les BET et porosimétrie Hg, mais aussi la diffusion aux petits angles SAXS, devraient révéler leurs singularités, leurs tailles et leurs morphologies.

III.3.1.1 Expérimental

Les grains d’aérogel les plus petits (inférieurs à 100µm) ont été choisis pour cette analyse car leur taille est la mieux adaptée. Les échantillons sous forme de poudre ont été déposés sur une grille de microscopie recouverte de billes d’or. Ces billes d’or parfaitement sphériques de diamètre 5nm seront utilisées comme marqueurs pour faciliter le réglage du microscope (mise au point, astigmatisme, …), l’alignement des images et la reconstruction du volume.

Les images en 2D des grains d’aérogels de silice ont d’abord été réalisées sur un microscope électronique en transmission (MET) Jeol 2010F équipé d’un canon à émission de champ et pour lequel la tension d’accélération a été fixée à 200 kV. Les images ont été acquises en champ clair grâce à une caméra CCD Gatan Orius 200. Nous avons observé que les aérogels de silice peu dense se dégradaient rapidement sous faisceau et que les conditions expérimentales sur ce microscope ne permettaient pas l’acquisition de séries d’images pour une reconstruction tomographique de bonne qualité. Les aérogels denses de surface spécifique plus classique étaient par contre observables.

Les séries d’images des grains d’aérogels de silice ont été obtenues grâce à la technique de tomographie électronique avancée (AET). Les acquisitions ont été réalisées à l’IPCMS de Strasbourg via le réseau METSA, sur un microscope électronique en transmission optimisé pour la tomographie électronique. Ce microscope JEOL 2100F est équipé d’un canon à émission de champ et un filtre en énergie GATAN Tridiem, avec une tension d’accélération faible inférieure à 50 kV. Grâce à la technique AET la région d’intérêt est exposée au faisceau uniquement lors de l’acquisition des images et pour un temps d’acquisition ultra court de 0,5 seconde par projection. Les échantillons fragiles sont ainsi préservés au maximum des dommages pouvant être causés par le faisceau. Une comparaison de l’échantillon avant et après analyse ne montre aucune dégradation des grains d’aérogels.

Les séries tiltées ont été acquises automatiquement en utilisant le logiciel de tomographie GATAN en mode champ clair. Chaque série est enregistrée avec un pas de 2,5° en partant de -71° pour finir à +71°, pendant un temps total de 45 minutes, ceci donnant 81 images de 2048*2048 pixels avec une résolution de 0,16 nm.

III.3.1.2 Traitement numérique

A la suite des acquisitions tiltées, un alignement des images a été réalisé grâce au logiciel IMOD [29, 30] en utilisant les billes d’or dont la morphologie et la taille sont connues. Les reconstructions de volume ont été effectuées avec 15 itérations d’un algorithme ART (Algebraic reconstruction technique) implémenté dans le logiciel TomoJ/EFTETJ [31] donnant des cubes de 512 pixels de côté.

Les visualisation 3D, les tailles de pores et la quantification des particules de silice sont réalisés avec les logiciels ImageJ, 3Dslicer et Chimera [32]. Ces logiciels et les outils morphologiques qui leur sont associés sont communs aux deux types de tomographie électronique et X.

Les résultats sont des coupes, des volumes reconstruits, et des volumes ou coupes segmentés. Cette opération permet de sélectionner uniquement les objets correspondant à une gamme de contraste ou de taille. Dans notre cas, deux types de volumes sont présentés :

(i) Des volumes où seules les particules secondaires de silice sont présentées, les pores étant transparents.

(ii) Des volumes où seuls les pores et leurs connections sont visibles, les particules de silices étant transparentes.

Une fois ces volumes obtenus, l’analyse numérique des échantillons est conduite avec l’aide de Lucian Roiban. On obtient ainsi des distributions statistiques en taille de particules et de pores, mais aussi des connectivités.

III.3.2 Tomographie aux rayons X

Afin d’imager le réseau poreux entre les grains d’aérogel, la technique choisie est la tomographie au rayons X. Cette technique nous permettra une analyse à l’échelle micronique de l’empilement de grains puis du composite.

La tomographie d’absorption des rayons X est une technique d’analyse tridimensionnelle non destructive. Elle fonctionne sur le même principe que la tomographie électronique présentée dans le paragraphe précédent. Des informations en volume sur la microstructure et la macrostructure peuvent ainsi être obtenues sur le matériau et chacun de ses composants si leurs contrastes les distinguent. Sous chargement mécanique, ou thermique, les évolutions de microstructures et leur cinétiques sont qualifiables tant quantitativement que qualitativement.

Lorsqu’un faisceau de rayons X passe à travers un échantillon, la projection des coefficients d’absorption de la structure du matériau traversé forme une radiographie. La tomographie implique de faire tourner l’échantillon sur 360° selon un axe perpendiculaire au faisceau incident et de récupérer une série de radiographies à différents angles de rotation donnés. Ensuite, un algorithme de reconstruction [33] est utilisé afin de recalculer la distribution des coefficients d’absorption en tout point du volume de l’échantillon. Le résultat obtenu après reconstruction est une représentation de la valeur du coefficient d’atténuation local des rayons X mesuré pour un élément cubique de matière appelé voxel (extension de pixel en volume). Ce coefficient varie selon la composition locale du matériau et sa structure interne peut être déterminée sans l’altérer. Ainsi l’échantillon peut être analysé et caractérisé en trois dimensions.

III.3.2.1 Conditions expérimentales

Dans cette étude, le matériau et le composite sont multi-échelles, nous utilisons donc différents tomographes, pour nous permettre d’atteindre les niveaux d’informations recherchés :

 Un tomographe V Tome X décrit dans J.Y.Buffière et al. [34], du laboratoire MATEIS avec une résolution de 15 ou 4,3 µm est employé pour caractériser l’empilement de grains (chapitre 4). Le faisceau de rayons X est polychromatique et conique, il ne permet pas d’avoir une résolution meilleure que 2µm. En revanche, la série de scan est rapide et facile à mettre en place. Les champs de vue analysés seront précisés sur les images présentées dans le chapitre IV.

 Un nouveau tomographe Easytom, assemblé par la société française RX Solutions avec une résolution de 2,2µm utilisé pour caractériser les empilements de grains (chapitre 4 de ce manuscrit) et les composites liantés (chapitre 6 de ce manuscrit). Celui-ci nous permet de travailler en contraste de phase, ce qui est très utile puisque les aérogels de silice sont peu absorbants car très poreux. Sans contraste de phase, séparer le niveau de gris associé à un grain d’aérogel poreux à 95%, de celui de l’air nécessite une maitrise fine des paramètres d’acquisition et des techniques de traitement numérique. Le contraste de phase apporte une plus grande différence de niveau de gris dans les images et facilite les segmentations d’images [35].

 Un tomographe aux rayons X de haute résolution situé à l’ESRF (Ligne ID19) à Grenoble. Avec les installations présentes sur le site, un faisceau monochromatique, parallèle et de haute intensité de rayons X est obtenu. Grâce à la cohérence du faisceau, il est encore plus facile sur ce dispositif d’exploiter le contraste de phase. L’énergie est fixée à 20 keV. Une taille de voxel de 0,3 ou 0,7 microns est utilisée pour étudier les échantillons liantés en tomographie locale (Figure 26). Les images obtenues sont de qualité suffisante pour qualifier la répartition du liant dans le composite.