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Bernard THIBAUT CNRS Les bois: une grande classe de matériaux d’ingénierie Les

Bernard THIBAUT CNRS Les bois: une grande classe de matériaux d’ingénierie Les matériaux d’ingénierie Matériaux constructifs • Un matériau désigne toute matière utilisée pour réaliser un objet • Les matériaux constructifs permettent de résoudre les problèmes mécaniques de la fabrication et de l’usage futur de l’objet • Ils sont fournis sous forme d’éléments de matériau: – blocs (briques) dont les 3 dimensions sont du même ordre de grandeur, – profilés (poutres) dont une dimension est bien plus grande que les deux autres – plaques dont une dimension est bien plus petite que les deux autres • Les premiers matériaux de l’humanité étaient naturels: – Matériaux géologiques: pierres, argiles … – Matériaux du vivant: os, arêtes, nacre, bois, liège, ivoire … • Puis des matériaux de synthèse sont apparus: – Céramiques dès la maîtrise du feu (cuisson des argiles) – Métaux après le contrôle des hautes températures (âge du bronze puis du fer) – Polymères (matières plastiques) à l’ère industrielle Grandes familles chimiques de matériaux • Il existe trois grandes familles de nature chimique: – Les matériaux minéraux (verres, céramiques …) – Les matériaux métalliques (métaux et alliages comme l’acier, le laiton, le dural …) – Les matériaux organiques (polymères …) Propriété Matériaux métalliques Matériaux minéraux Matériaux organiques Densité en t/m3 3 à 22 2 à 3 1 à 2 Résistance à la chaleur Forte Très forte Faible Conduction thermique W/m/°K 20 à 400 1 à 3 0,1 à 1 Conduction électrique Très conducteur Très isolant Très isolant Amortissement Très faible à faible Très faible à faible Fort Résistance à la corrosion Faible Forte Très forte Expansion thermique Forte Faible Très forte Comportement mécanique Elastique-plastique Elastique-fragile Visco-élastique Déformation Charge Déformation Charge Temps Charge Déformation Structure physique des matériaux Il existe plusieurs grandes familles de structure physique: – Les matériaux homogènes isotropes – Les matériaux cellulaires comme les mousses (isotrope) et les nids d’abeille (Nida anisotrope) – Les matériaux composites isotopes (béton) ou anisotropes (béton armé) Comportement d’un Nida (anisotrope) en compression Comportement d’un métal (isotrope) en compression Déformation Résistance/Densité Résistance/Densité Déformation Deux directions contrastées du nid d’abeille Transverse Longitudinale En rouge: comportement dans la direction transverse En bleu: comportement dans la direction longitudinale Les matériaux composites Les familles de composites: – Composites à fibre (de verre, de carbone, de kevlar …) – Composites à agrégats (béton, panneaux de particules …) – Composites multicouches (isolation, emballage …) Transverse Longitudinale Résistance/Densité Déformation Comportement d’un composite à fibre en traction Deux directions contrastées du composite à fibre En rouge: comportement dans la direction transverse En bleu: comportement dans la direction longitudinale Structure et composition chimique des bois Un matériau cellulaire de type nid d’abeille • La matière de base des parois cellulaire: composite à fibre • La matrice du composite: mélange de polymères dopé Transverse Longitudinal Transverse Longitudinal Nid d’abeille Composite à fibre Lignine Cellulose Glucomanane Matrice Fibre Petites molécules Matrice du composite Longitudinal Transverse 0,1mm 1µm 100nm Xylane Un matériau de la famille des polymères Iroko Aubier Bois de cœur Les cellules d’aubier contient des nutriments comme des sucres ou de l’amidon Le bois de cœur est imprégné par un cocktail de molécules bioactives qui le protègent Le cocktail d’extractibles (une centaine de molécules) est une signature de l’espèce Bois: 50% C, 44% O, 6% H Macromolécules 90 à 95% Polysaccharides Lignines 30% Hémicelluloses 20% Cellulose 42% Petites molécules 5 à 10% Organique Minéral Extractibles 6% Cendres1% Polyphénols Des polymères particuliers Ce sont des aliments pour les êtres vivants Ce sont d’excellents combustibles Ils sont sensibles au couple température – humidité du matériau – Humidité d’équilibre du matériau avec la température et l’humidité de l’air – Variations dimensionnelles – Couplage thermo-hygro-mécanique – Variations des propriétés physiques avec l’humidité (densité, conductibilité …) – Seuils d’humidité pour l’action des micro-organismes Taret Retrait de rondelle de châtaignier Un matériau cellulaire orienté, multicouche Le cerne est constitué d’une couche plus (bois initial) ou moins (bois final) poreuse. Les fibres et trachéides sont des cellules à paroi épaisse, très allongées (avec un élancement voisin de 100). Leur orientation est appelée fil du bois. Les vaisseaux sont des tuyaux constitués de cellules aboutées de faible élancement. Les parenchymes sont des cellules à paroi mince, orientées perpendiculairement (parenchyme radial) ou parallèlement (parenchyme axial) au fil du bois Feuillu Résineux Vaisseaux Fibres Parenchyme radial Trachéides l r t Bois initial Bois initial Bois final Bois final 200µm 200µm Le plan ligneux, organisation 3D des cellules du bois Comme la signature chimique des extractibles, le plan ligneux caractérise l’espèce Vaisseau vue radiale Vaisseau ponctuations La densité est la 1ère clé des propriétés mécaniques du bois Balsa Densité = 0,15 Porosité = 90% Panacoco Densité = 1,2 Porosité = 20% La résistance mécanique du bois dans la direction du fil est proportionnelle à sa densité. La paroi cellulaire, composite à fibre multicouche Lumen S3 S2 S1 Paroi primaire + lamelle mitoyenne Paroi secondaire Organisation de la paroi de la fibre La couche S2 est la plus épaisse l r t AMF S2 de face AMF S2 en Section Chaque couche est un composite à fibres cristallines (nano-cellulose) dans une matrice amorphe 13 200nm 200nm 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 50 AMF ° Module d’élasticité spécifique GPa Modèle Epicéa Pin Sylvestre Pin Maritime L’angle des nano-fibres de cellulose est la 2ième clé des propriétés mécaniques du bois l r t AMF Le module spécifique: (Module d’élasticité / (Densité) est un bon indicateur de l’angle des micro fibrilles Les bois dans les grandes classes de matériaux 0,01 0,1 1 10 100 Densité (t/m3) 1000 0,01 0,1 1 10 100 0,001 0,0001 Module d’élasticité GPa 2 4 6 0,2 0,4 Bois // Bois Mousses Polymères Composites Métaux Céramiques 100 m/s 1000 m/s 10 000 m/s 300 m/s 3000 m/s Petite conclusion Matériau de construction universel* le plus léger Très large palette de propriétés pouvant varier de 1 à 100 Propriétés sensorielles et de résistance aux dégradations pilotées par la chimie subtile du cocktail d’additifs spécifiques Comportement à long terme piloté par la chimie des polymères de base Résistance mécanique pilotée par une double structuration physique: – Nid d’abeille à l’échelle du µm caractérisé par l’angle de fil, 1er niveau d’anisotropie – Composite à fibre à l’échelle du nm caractérisé par l’angle des microfibrilles, 2ième niveau d’anisotropie Matériau de construction universel*: matériau permettant de réaliser la quasi-totalité d’une structure complexe comme un bâtiment. C’est le cas, dans l’ordre croissant de densité des bois, des composites, du béton armé et de métaux comme l’acier Le bois de l’arbre Les feuilles produisent la biomasse à partir de l’eau, du CO2 et de l’énergie solaire Les racines extraient l’eau et les sels minéraux du sol Le compartiment ligneux connecte les compartiments foliaires et racinaires. Le compartiment ligneux de l’arbre La structure arborée: une construction additive Les bourgeons à bois (terminaux et latéraux) et le cambium (manchon continu sous l’écorce) sont les zones actives de la fabrication additive du compartiment ligneux de l’arbre Le cambium fabrique le xylème actif vers l’intérieur et le phloème actif vers l’extérieur Après leur mort programmée, le xylème et le phloème actifs sont intégrés respectivement dans le squelette et dans la protection extérieure Fonctions principales du bois vivant: Fabrication de la structure + Stockage (eau et nutriments) + Conduction de la sève + Contrôle de la posture (action musculaire) Année 1 Bourgeon Année 2 Année 3 Année 4 Unité de croissance Cerne Le bois vivant de l’arbre Bois vivant de l’arbre = Xylème vivant + Cambium + Phloème vivant Xylème vivant = zone musculaire (fibres vivantes) + zone conductrice (parenchymes vivants) Xylème mort = Bois uniquement squelette de l’arbre Xylème mort Xylème vivant Phloème vivant Phloème mort Peau Cambium Xylème conducteur Sève montante Phloème conducteur Sève descendante Duramen Aubier Xylème muscle Section d’une tige de Bagasse Adaptation aux conditions hydriques Châtaignier Cerne 2 Cerne 1 Bois final Bois final Bois initial Bois initial Le bois initial, plus conducteur, est ajouté en saison humide (printemps) Le bois final, moins conducteur, est ajouté en saison sèche (été) Les années défavorables, les cernes ajoutés sont plus étroits C’est un moyen de lire l’histoire du climat dans une pièce de bois Cernes étroits Cernes larges Adaptation au contrôle de posture Bois de tension: traction de 400 à 800 daN par cm2 de bois ajouté Bois de compression: pression de 100 à 200 daN par cm2 de bois ajouté Bois normal: traction de 50 à 200 daN par cm2 de bois ajouté Bois de tension Bois normal Bois de compression Bois normal Feuillu Résineux BC BC BN BT BT BN Le bois normal seul régule la posture verticale en modifiant l’angle des nano-fibrilles Les bois de réaction régulent la posture des branches étalées ou permettent des redressements en modifiant l’anatomie, l’angle des nano-fibrilles et la chimie de la matrice BN: Bois normal BC: bois de compression BT: Bois de tension Petite conclusion Chaque morceau de bois présent dans l’arbre est une signature unique des instants de vie de cet arbre dans son uploads/Ingenierie_Lourd/ autre-publi-thibaut-fete-science-2017.pdf