Simulation of mechanical behavior of nanostructured silica based insulation panels
Modélisation du comportement mécanique et thermique des silices nano-architecturées
Résumé
Nanostructured silicas are ultra-porous materials (more than 80 % porosity) used to make Vacuum Insulation Panels (VIP).They have exceptional thermal properties, but poor mechanical properties. The goal of this thesis is to study these materials at the scale of the particle (a few nm), the aggregate of particles (a few tens of nm) and the agglomerate of aggregates (a few hundred nm), in order to better understand mechanical and thermal behaviour using simulations, and to propose ways to improve the thermal / mechanical compromise. The particulate nature of the material and its multi-scale naturejustify the use of Discrete Element Methods (DEM). An original model allowing to generate aggregates with controlledmorphology (fractal dimension, radius of gyration, porosity) is proposed. The compaction behaviour of the aggregates is then studied by DEM. A low-density cycling approach has been developed to obtain realistic initial aggregate arrangements.The preponderance of adhesive phenomena in the system makes it very sensitive to the initial arrangement. The tensile response of structures generated by compaction is also evaluated. The influence of aggregate morphology, adhesion and friction were studied. Emphasis is placed on the comparison of two types of silica (pyrogenic and precipitated) with different morphologies and for which experimental data allow a comparison with simulations. The simulations presented allow us to provide answers on the origin of the differences in mechanical behaviour observed experimentally for these two types of silica.A modeling of the thermal conductivity of the material, with a focus on solid conductivity, is also proposed.
Les silices nanostructurées sont des matériaux ultra-poreux (plus de 80% de porosité) utilisés pour la confection de Panneaux Isolants sous Vides (PIV). Elles possèdent des propriétés thermiques exceptionnelles, mais de piètres propriétés mécaniques.L’enjeu de cette thèse est d’étudier ces matériaux aux échelles de la particule (quelques nm), de l’agrégat de particules (quelques dizaines de nm) et de l’agglomérat d’agrégats (quelques centaines de nm), afin de mieux comprendre les comportements mécanique et thermique à l’aide de simulations, et de proposer des pistes pour améliorer le compromis thermique / mécanique. La nature particulaire du matériau et son caractère multi-échelle justifient l’utilisation de méthodes de simulations discrètes (DEM : Discrete Element Method). Un modèle original permettant de générer des agrégats à morphologiecontrôlée (dimension fractale, rayon de giration, porosité) est proposé. Le comportement à la compaction des agrégats est ensuite étudié par simulations DEM. Une approche par cyclage à faible densité a été développée pour obtenir des arrangements initiaux réalistes d’agrégats. La prépondérance des phénomènes adhésifs dans le système rend en effet celui-ci très sensible à l’arrangement initial. La réponse en traction des structures générées par compaction est également évaluée.L’influence de la morphologie des agrégats, de l’adhésion et du frottement ont été étudiées. L’accent est mis sur la comparaison de deux types de silices (pyrogénées et précipitées) présentant des morphologies différentes et pour lesquelles des données expérimentales permettent une confrontation avec les simulations. Les simulations présentées permettent d’apporter des réponses sur l’origine des différences de comportement mécanique observées expérimentalement pour ces deux types de silice.Une modélisation de la conductivité thermique du matériau, avec une focalisation sur la conductivité solide, est également proposée.
Domaines
Matériaux| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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