Métrologie et modélisation des transferts dans les composites naturels à faible cout pour l'isolation thermique dans les panneaux solaires

Abstract

Ce mémoire de thèse est consacré à l’étude expérimentale des propriétés thermiques et mécaniques d'un nouveau biocomposite constitué de fibres naturelles dispersées dans une matrice gypse, en vue de l’utiliser comme isolant thermique dans les panneaux solaire et le bâtiment. Du point de vue mécanique, les résistances mécaniques du gypse diminuent avec l’augmentation des fibres. Pour une concentration de 10% de FBPD la résistance à la compression du gypse à 28 jours diminue à 5.4 Mpa et à 2.8 Mpa pour la résistance en flexion. Du point de vue thermique, la conductivité thermique du gypse diminue avec l'augmentation de la concentration des fibres. Elle diminue de 0.44 à 0.15 W/m°K, pour une concentration de 10% de fibres. L’influence de la concentration des FBPD sur les propriétés mécaniques et thermiques du composite est plus significative que la taille des fibres. La corrélation entre la conductivité thermique et la résistance mécanique a été également étudiée. Parallèlement à ce travail expérimental, une étude numérique basée sur la méthode des éléments finis est établie afin de prédire la conductivité thermique des matériaux hétérogènes. Les composites étudiés dans cette partie sont constitués de matrices polymères renforcées par des particules métalliques. L’approche numérique de la prédiction de la conductivité thermique effective des composites sera appliquée par la suite pour estimer la conductivité thermique effective des biocomposites élaborés dans ce travail. Le domaine d’application de ce biocomposite est dans l’isolation thermique des panneaux solaires et des bâtiments. L’étude technico-économique menée dans ce travail montre que ce matériau est mieux adapté aux bâtiments qu’aux panneaux solaires. This thesis deals with the experimental study of the thermal and mechanical properties of a new biocomposite composed of gypsum matrix reinforced with natural fibers for use as thermal insulation in solar panels and building sector. The mechanical strength of gypsum decreases with increasing fibers concentration. For 10% of FBPD adding, the compressive strength of gypsum at 28 days decreases to 5.4 MPa and to 2.8 MPa for the flexural strength. The thermal conductivity of gypsum decreases with increasing fibers concentration. It decreases from 0.44 to 0.15W/m°K, for 10% of fibers adding. The DPF concentration had a significant effect on the mechanical and thermal properties of composite compared to the size effect. The correlation between thermal conductivity and mechanical strength was also studied. Parallel to this experimental work, a numerical study based on the finite element method is established to predict the thermal conductivity of heterogeneous materials. Composites studied in this part of thesis are constituted of polymeric matrix reinforced with metal particles. The numerical approach for the prediction of the effective thermal conductivity of the polymer composite is subsequently applied to estimate the effective thermal conductivity of biocomposites developed in this work. The scope of this biocomposite is in thermal insulation of solar panels and in buildings. The technical and economical analysis presented in this work shows that this new material is better suited for buildings than the solar panels.