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

Abstract: The porous structure of expanded graphite and expanded vermiculite has been studied in situ under uniaxial stress. The properties of a porous material being related to the matrix and to the porosity, the in situ evolution under of the crystalline structure (of the matrix) under high pressure have been first investigated using diamond anvil cell. The equation of state of expanded vermiculite has been established. This first part of this work allowed giving a particular insight to the study of the unsolved high pressure phase of graphite. Combining Raman scattering data and calculations, a new structure, called Z-Carbon, has been proposed. Thanks to the specific technical developments of this work, the porosities of expanded graphite and expanded vermiculite based systems have been studied in situ under uniaxial stress. The used of fractal model in data analysis allowed following the evolution of the fractal dimension and of the apparent specific surface The studied samples were made of compressed forms of expanded graphite and expanded vermiculite in which the basal plane of the crystallites have a preferential orientation. The uniaxial stress was taken perpendicular and parallel to this preferential direction. The porous structure of the expanded graphite sample was found to undergo an irreversible collapse of the pores or a cracks and creation and propagation. Additional electrical and porosity measurements supported the proposed models. In the expanded vermiculite based systems, the crack apparition was observed under uniaxial stress.Résumé : L'évolution des structures poreuses du graphite et de la vermiculite expansés a été étudiée in situ sous pression uniaxiale. Les propriétés d'un matériau résultant des propriétés intrinsèques à la matrice et de celles dues à la porosité, les études faites dans ce travail ont porté sur deux échelles différentes. Les évolutions structurales de la structure cristalline du graphite et de la vermiculite ont d'abord été étudiées à haute pression en cellule à enclumes de diamant. Cette partie du travail a permis d'établir les équations d'état de la vermiculite et de contribuer, de manière significative, à la caractérisation de la phase haute pression du graphite: une nouvelle phase, le Carbone Z, a été proposée après l'analyse des données de la spectroscopie Raman couplée aux simulations. Des développements techniques ont été particulièrement réalisés pour permettre d'étudier in situ l'évolution de la porosité sous pression par diffusion aux petits angles sous pression. L'application du modèle fractale à l'analyse des données a permis de suivre l'évolution de la dimension fractale et de la surface spécifique apparente. Les échantillons étudiés sont des formes comprimées de graphite et de vermiculite 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 un effondrement irréversible des pores ou un cisaillement de la matrice suivant l'orientation de la pression appliquée par rapport à l'orientation préférentielle des plans basaux des cristallites. Des expériences complémentaires de mesures électriques et de mesures de la porosité par intrusion de mercure ont permis de confirmer ces modèles proposés. Dans la vermiculite expansée comprimée, les fissures apparaissent, de manière générale, sous l'effet de la pression uniaxiale