vignette|Mousse régulière produite grâce au procédé mis au point par le CTIF. vignette|Mousse d'aluminium. Une mousse métallique est une structure alvéolaire constituée d'un métal solide, souvent en aluminium, contenant un volume important de gaz (des pores remplis). Les pores peuvent être scellés (mousse à cellules fermées) ou former un réseau interconnecté (mousse à cellules ouvertes). La principale caractéristique des mousses métalliques est une porosité très élevée, en général 75-95 % du volume, ce qui rend ces matériaux ultralégers. La stabilité de la mousse métallique est inversement proportionnelle à sa densité, ainsi un matériau dense à 20 % est plus de deux fois plus robuste que le même matériau dense à 10 %.
En général, les mousses métalliques conservent certaines propriétés physiques de leur matériau de base. Les mousses à base de métal non inflammable restent non inflammable et la mousse est généralement recyclable, comme son matériau de base. Le coefficient de dilatation thermique reste également similaire tandis que la conductivité thermique est généralement réduite..
Il est possible de classer les mousses selon plusieurs caractéristiques, les deux plus importantes sont l'architecture du pore (stochastique ou régulier) et le type de pore (ouvert ou fermé).
Mousse à pores ouverts vignette|Mousse à pores ouverts.
vignette|CFD (simulation numérique) de l'écoulement et des transferts de chaleur couplés dans une mousse métallique à pores ouverts.
Les mousses à pores ouverts peuvent être obtenues par plusieurs moyens. Jusqu’à présent, les plus connues sont les mousses de réplication qui utilisent des mousses de polyuréthane à cellules ouvertes. Les domaines d’application sont très vastes comme les échangeurs de chaleur compacts (refroidissement de composants électroniques, échangeurs de chaleur PCM), l'absorption, la diffusion de flux optique et légers. En raison du coût élevé de la matière, elle est le plus souvent utilisée dans la technologie de pointe, l'aérospatiale et la fabrication à petite échelle. Des mousses à cellules ouvertes, avec des cellules trop petites pour être visibles à l'œil nu, sont utilisées comme filtres à haute température dans l'industrie chimique. Les mousses métalliques sont utilisées dans le domaine des échangeurs de chaleur compacts pour augmenter le transfert de chaleur au prix d'une chute de pression supplémentaire. Cependant, leur utilisation permet une réduction substantielle de la taille physique d'un échangeur de chaleur, et des coûts de fabrication. Pour modéliser ces matières, on utilise des structures idéalisées et périodiques ou une moyenne des propriétés macroscopiques....
Fabrication Les mousses métalliques à pores ouverts, appelées aussi éponges métalliques, peuvent être fabriquées par plusieurs voies, notamment par fonderie ou métallurgie des poudres. Dans la fabrication par poudre, les porteurs dits spatiaux sont nécessaires : comme leur nom l'indique, ils vont donner de l'espace pour les pores ouverts et les canaux au cours ou à la fin du processus de prise de la mousse. Dans les procédés de moulage, il existe deux méthodes : celles des mousses de réplications qui sont faites par des répliques de mousses de polyuréthane à cellules ouvertes utilisées comme un squelette ; les mousses obtenues par moulage direct qui utilisent des noyaux en sable lié par une résine.
vignette|Procédé de fabrication des mousses métalliques par moulage direct conçu et breveté par le CTIF.
Mousses métalliques à pores fermés Les mousses métalliques à cellules fermées ont été élaborées en 1926 par Meller dans un brevet français où des métaux légers sont moussés, soit par injection de gaz inerte, soit par agent gonflant. Les deux brevets sur des mousses métalliques ont été délivrés à Benjamin Sosnik en 1948 et 1951, qui utilisait de la vapeur de mercure pour souffler de l'aluminium liquideB. Sosnick, (1948).B. Sosnick, (1951).. Ensuite, les mousses métalliques à cellules fermées ont été développées depuis 1956 par John C. Elliott Research Laboratories Bjorksten. Bien que les premiers prototypes étaient disponibles dans les années 1950, la production commerciale a seulement commencé dans les années 1990 par la société Shinko Wire au Japon. Les mousses métalliques à cellules fermées sont principalement utilisées comme un matériau absorbant l'impact, comme les mousses de polymères dans un casque de vélo, mais pour des charges d'impact élevées. Contrairement à beaucoup de mousses polymères, les mousses métalliques restent déformées après l'impact et ne peuvent donc être utilisées qu'une seule fois. Elles sont légères (typiquement 10 à 25 % de la densité d'un alliage non poreux identique ; souvent des alliages d'aluminium) et rigides, et sont souvent proposées comme matériau de structure léger. Cependant, elles n'ont pas encore été largement utilisées à cette fin du fait de leur coût élevé.
Les mousses à cellules fermées conservent la résistance au tir et la possibilité de recyclage d'autres mousses métalliques mais ajoutent la capacité de flotter dans l'eau.
Procédé de fabrication Les mousses métalliques sont généralement fabriqués par injection d'un gaz ou mélange d'un agent moussant dans un métal liquide..
Dans certaines circonstances, des masses métalliques fondues peuvent être expansées par la création de bulles de gaz dans le liquide. Normalement, les bulles de gaz formées ont tendance à remonter rapidement à la surface en raison des forces de flottabilité élevées dans le liquide de haute densité. Cette remontée peut être empêchée par l'augmentation de la viscosité du métal en fusion, soit par l'ajout de poudres céramiques fines, soit par celui d'éléments d'alliage pour former des particules de stabilisation dans la masse fondue, soit par d'autres moyens. Ce mélange peut être moussé de trois façons différentes : par injection de gaz dans le métal liquide à partir d'une source externe ; en provoquant une formation de gaz in situ dans le métal en fusion en ajoutant des éléments gonflants relâchant des gaz ; en provoquant la précipitation du gaz qui a été préalablement dissous dans le liquide.
Afin de stabiliser les bulles de métal en fusion, des agents moussants à haute température (nano-particules solides ou de taille micrométrique) sont nécessaires. La taille des pores, ou des cellules, est habituellement de 1 à . Lorsque des agents moussants ou gonflants sont utilisés, ils sont souvent mélangés à du métal sous forme de poudre. C'est ce qu'on appelle la « route de la poudre » du moussage et c'est probablement la technique la plus courante d'un point de vue industriel. Après que ces poudres métalliques (par exemple aluminium) et de l'agent moussant (par exemple l'hydrure de titane TiH2) ont été mélangés, ils sont compressés en un précurseur solide compact, qui peut être sous forme de billette, de feuille ou de fil. La production de précurseurs peut être faite par une combinaison de procédés de formage des matériaux, tels que le pressage de poudre, l'extrusion (directe ou par processus Conform), ou le laminage à plat.
Mousse stochastique et mousse régulière Mousse stochastique Une mousse est dite « stochastique » lorsque la répartition de la porosité est aléatoire. La majeure partie des mousses sont stochastiques car leur fabrication relève soit : du moussage du métal qu'il soit liquide ou solide (poudre) ; du dépôt de vapeur par CVD (sur une matrice elle-même aléatoire) ; du moulage direct ou indirect d'un moule contenant des billes ou une matrice elle-même aléatoire.
Mousse régulière vignette|Octaèdre tronqué. Une mousse est dite « régulière » lorsque la structure est ordonnée. À ce jour, seule la technique mise au point par le Centre technique des industries de la fonderie (CTIF).. permet la fabrication d'une mousse régulière. Il s'agit d'un moulage par fonderie en méthode directe qui permet d'obtenir une mousse à pores réguliers et ouverts.
Pour fabriquer cette mousse, des plaques en sable aggloméré sont utilisées comme noyaux de fonderie. Leur forme est étudiée pour chaque application. Le savoir-faire lié à cette technique consiste en la conception des plaques et l'infiltration du métal liquide à l'intérieur du réseau créé.
Ce mode de fabrication permet de réaliser des mousses dites « parfaites », c'est-à-dire qu'elles respectent les conditions de Plateau notamment en réalisant des pores de la forme d'un octaèdre tronqué de Kelvin (conjecture de Kelvin).
De nombreux travaux ont été menés par le CTIF. pour identifier les applications possibles de cette technologie et concevoir les outils méthodologiques pour mieux comprendre et simuler le comportement des mousses.
Galerie photographique
Applications Application pour le design Les mousses peuvent être utilisées dans le design ou l'architecture.
Galerie de pièces design
Utilisation orthopédique Les mousses métalliques ont également commencé à être utilisées comme une prothèse expérimentale chez les animaux. Dans cette application, un trou est percé dans l'os et de la mousse métallique insérée en laissant la croissance osseuse dans le métal pour une connexion permanente. Pour des usages orthopédiques, des mousses issues de métaux tels que le tantale ou le titane sont souvent utilisées, car ces métaux présentent une résistance élevée à la traction, une résistance à la corrosion avec une excellente biocompatibilité.
Études cliniques Un exemple notable de l'utilisation clinique de mousses métalliques est un Husky sibérien nommé « Triumph » dont les deux pattes arrière ont reçu de la mousse métallique comme prothèses. Les études sur les mammifères ont montré que les métaux poreux, tels que la mousse de titane, peuvent permettre la formation du système vasculaire au sein de la zone poreuse.
Utilisation orthopédique pour l'humain Plus récemment, les fabricants d'appareils orthopédiques ont commencé la production de périphériques qui utilisent soit la construction de la mousse, soit des revêtements en mousse métallique pour atteindre les niveaux souhaités d'ostéointégration....
Application automobile Les mousses métalliques sont actuellement étudiés comme un nouveau matériau pour les automobiles. L'objectif principal de l'utilisation de mousses métalliques dans les véhicules est d'augmenter son mouillage, réduire le poids de l'automobile, et augmenter l'absorption d'énergie en cas d'accidents ou dans des applications militaires, pour lutter contre la force d'engins explosifs improvisés. À titre d'exemple, des tubes remplis de mousse peuvent être utilisés comme des barres anti-intrusion..
Les mousses métalliques qui sont actuellement à l'étude sont de l'aluminium et de ses alliages en raison de leur faible masse volumique (0,4-). En outre, ces mousses ont une grande rigidité, sont résistantes au feu, ne dégagent pas de vapeurs toxiques, sont entièrement recyclables, peuvent absorber des quantités d'énergie élevées, ont une faible conductivité thermique, une faible perméabilité magnétique, et sont efficaces à une bonne insonorisation, surtout en comparaison avec des parties creuses de faible poidsNew Concept for Design of Lightweight Automotive Components, sur metalfoam.net..
En comparaison avec les mousses polymères (pour utilisation dans les automobiles), les mousses métalliques sont plus rigides, plus résistantes, et absorbent plus d'énergie. Elles sont plus résistantes au feu, et ont une meilleure résistance à la lumière UV, l'humidité et la température. Cependant, elles sont plus lourdes, plus chères, et non isolantes.