Dans de nombreux domaines tels que la science des matériaux, le génie géologique, l'extraction pétrolière et la biomédecine, les propriétés des matériaux dépendent souvent non seulement de leur composition chimique, mais aussi de leur Microstructure interne. Et la porosité – c’est - à - dire le volume poreux interne du matériau en pourcentage du volume total – est le paramètre central qui décrit cette Microstructure. Comme une clé, il déverrouille de nombreux secrets sur la résistance, la perméabilité, l'adsorption et l'isolation thermique. L’analyse de la porosité, l’« œil en perspective » qui comprend le monde intérieur des matériaux, fournit une base scientifique pour comprendre et optimiser les propriétés des matériaux.
La porosité n'est pas toujours un défaut du matériau et, dans de nombreux cas, elle est même essentielle pour que le matériau remplisse une fonction spécifique. En géologie pétrolière, la porosité des roches détermine directement leur capacité de stockage du pétrole et est un indicateur central pour évaluer l'abondance des gisements de pétrole et de gaz. Dans le domaine des catalyseurs, la grande surface spécifique des matériaux poreux (fournie par les pores) est le site où les réactions catalytiques sont effectuées de manière efficace. Dans les matériaux d'isolation des bâtiments, un réseau de pores fermé est la clé pour bloquer la conduction thermique et réaliser l'isolation thermique. Alors que dans les matériaux biomédicaux, tels que les os artificiels, une structure de pores appropriée favorise l'Introgression cellulaire et la régénération tissulaire. Par conséquent, la détermination précise de la porosité, la compréhension de la distribution dimensionnelle, de la morphologie et de la connectivité des pores sont essentielles pour la conception, la préparation et l'application des matériaux.
Analyse de porositéPlusieurs techniques éprouvées ont été développées pour répondre aux besoins de mesure de différents matériaux et à différentes échelles.
Méthode d'adsorption de gaz (BET): il s'agit de la « norme d'or» pour la mesure des micropores et des mésopores (diamètre < 50 nanomètres). En permettant aux molécules de gaz, telles que l'azote, de subir une Adsorption monocouche, voire multicouche, à la surface du matériau à basse température (généralement la température de l'azote liquide), la surface spécifique et la distribution des pores du matériau peuvent être calculées en fonction de la quantité adsorbée par rapport à la pression. Cette méthode est essentielle pour la caractérisation des matériaux poreux tels que le charbon actif, les tamis moléculaires, etc.
Méthode de compression du mercure: Cette méthode utilise la propriété du mercure de ne pas mouiller la plupart des surfaces solides, en pressant le mercure dans les pores du matériau sous pression appliquée. A partir de la relation entre le volume de mercure pressé et la pression (équation de Washburn), il est possible de calculer la distribution des tailles de pores, particulièrement adaptée à la mesure des macropores (diamètre > 50 nanomètres) et de la porosité totale. Mais en raison de son utilisation de mercure toxique, la manipulation nécessite une extrême prudence.
Méthode de dilatation du gaz (méthode du gravimètre à hélium): en utilisant la propriété que les molécules d'hélium sont extrêmement petites et peuvent pénétrer dans presque tous les pores communicants, le volume squelettique du matériau peut être obtenu avec précision en mesurant le volume d'hélium évacué de l'échantillon, ce qui permet de calculer la porosité totale, y compris les pores ouverts et fermés. La méthode est de haute précision et est largement utilisée dans la détermination de la porosité des matériaux denses tels que les roches, les céramiques, les métaux et autres.
Microimagerie: la taille, la forme et la distribution spatiale des pores peuvent être analysées visuellement en observant directement la topographie bidimensionnelle ou tridimensionnelle des pores à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB), du faisceau d'ions focalisés (FIB) ou des techniques de tomodensitométrie à l'échelle micrométrique / nanométrique. Cette méthode fournit des informations visuelles sur la structure des pores et est un puissant complément aux autres méthodes de mesure.
L'application de l'analyse de la porosité s'étend tout au long du processus de recherche et de développement des matériaux et de la pratique de l'ingénierie. Dans l'industrie pétrolière, c'est la base du calcul des réserves et de la conception des programmes d'exploitation; Dans le domaine des nouvelles énergies, il est essentiel d'optimiser le matériau d'électrode de la batterie, d'améliorer l'efficacité du stockage d'énergie; Dans l'industrie de protection de l'environnement, c'est la base pour évaluer la performance des adsorbants, concevoir des matériaux de traitement de l'eau efficaces; Dans la fabrication avancée, il guide la préparation de métaux et de céramiques poreux légers et puissants. Grâce à l'analyse de la porosité, les chercheurs peuvent « voir» et quantifier la structure interne du matériau, ce qui permet d'ajuster de manière ciblée les paramètres du processus et d'obtenir une régulation précise des propriétés du matériau.