Structure et porosité de systèmes lamellaires sous haute pression : cas du graphite et de la vermiculite

Structure and porosity of lamellar systems under high pressure : the case of expanded graphite and expanded vermiculite

• Auteur / Autrice : Félix Balima
• Direction : Alfonso San Miguel, Vittoria Pischedda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/12/2012
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Duclaux, Antoni Planes, Sylvie Le Floch
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Annie Brûlet, Alain Celzard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Porosité

Composés lamellaires

Vermiculite

Graphite

Mots clés libres

Porosité

Lamellaire

Graphite

Vermiculite

Pression

Diffusion aux petits angles

Fractale

Porosity

Lamellar

Graphite

Vermiculite

Pressure

Small angle scattering

Fractal

Résumé

L’évolution des structures poreuses du graphite et de la vermiculite expansés a été étudiée insitu sous pression uniaxiale. Les propriétés d'un matériau résultant des propriétés intrinsèques à lamatrice et de celles dues à la porosité, les études faites dans ce travail ont porté sur deux échellesdifférentes. Les évolutions structurales de la structure cristalline du graphite et de la vermiculite ontd'abord été étudiées à haute pression en cellule à enclumes de diamant. Cette partie du travail a permisd'établir les équations d'état de la vermiculite et de contribuer, de manière significative, à lacaractérisation de la phase haute pression du graphite: une nouvelle phase, le Carbone Z, a étéproposée après l’analyse des données de la spectroscopie Raman couplée aux simulations. Desdéveloppements techniques ont été particulièrement réalisés pour permettre d’étudier in situl'évolution de la porosité sous pression par diffusion aux petits angles sous pression. L’application dumodèle fractale à l’analyse des données a permis de suivre l’évolution de la dimension fractale et de lasurface spécifique apparente. Les échantillons étudiés sont des formes comprimées de graphite et devermiculite expansés dans lesquelles les plans basaux des cristallites ont une orientation préférentielle.Sous pression uniaxiale, la structure poreuse du graphite expansé comprimé évolue à travers uneffondrement irréversible des pores ou un cisaillement de la matrice suivant l'orientation de la pressionappliquée par rapport à l'orientation préférentielle des plans basaux des cristallites. Des expériencescomplémentaires de mesures électriques et de mesures de la porosité par intrusion de mercure ontpermis de confirmer ces modèles proposés. Dans la vermiculite expansée comprimée, les fissuresapparaissent, de manière générale, sous l’effet de la pression uniaxiale.

The porous structure of expanded graphite and expanded vermiculite has been studied insitu under uniaxial stress. The properties of a porous material being related to the matrix and to theporosity, the in situ evolution under of the crystalline structure (of the matrix) under high pressurehave been first investigated using diamond anvil cell. The equation of state of expanded vermiculitehas been established. This first part of this work allowed giving a particular insight to the study of theunsolved high pressure phase of graphite. Combining Raman scattering data and calculations, a newstructure, called Z-Carbon, has been proposed. Thanks to the specific technical developments of thiswork, the porosities of expanded graphite and expanded vermiculite based systems have been studiedin situ under uniaxial stress. The used of fractal model in data analysis allowed following the evolutionof the fractal dimension and of the apparent specific surface The studied samples were made ofcompressed forms of expanded graphite and expanded vermiculite in which the basal plane of thecrystallites have a preferential orientation. The uniaxial stress was taken perpendicular and parallel tothis preferential direction. The porous structure of the expanded graphite sample was found to undergoan irreversible collapse of the pores or a cracks and creation and propagation. Additional electrical andporosity measurements supported the proposed models. In the expanded vermiculite based systems,the crack apparition was observed under uniaxial stress.