Introduction
Le polyétheréthercétone (PEEK) est un thermoplastique haute performance largement utilisé dans des applications techniques exigeantes en raison de son excellente Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique, de sa résistance mécanique et de sa résistance chimique. Des grades commerciaux tels que le TECAPEEK® naturel et le TECAPEEK® GF30 naturel renforcé de fibres de verre (figure 1), fabriqués par Ensinger, sont couramment utilisés pour adapter les performances du matériau à des applications spécifiques.
Le TECAPEEK® naturel est une nuance de PEEK non chargée présentant une densité d’environ 1,31 g/cm³, tandis que le TECAPEEK® GF30 naturel contient 30 % de fibres de verre et présente une densité d’environ 1,53 g/cm³. Ces deux matériaux supportent des températures de service à long terme comprises entre environ 250 et 260 °C, et leurs conductivités thermiques rapportées sont respectivement d'environ 0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® naturel) et d'environ 0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 naturel) [2, 3].
Dans cette note d'application, la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique du TECAPEEK® naturel et du TECAPEEK® GF30 naturel est évaluée sur une plage de températures comprise entre -10 °C et 250 °C à l'aide d'un débitmètre thermique protégé (GHFM) NETZSCH TCT 716 Lambda et d'un analyseur à flash laser (LFA) NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Les matériaux testés ont été fournis par Ensinger sous forme de produits disponibles dans le commerce, garantissant ainsi une pertinence directe pour les applications concrètes. Cette plage de températures reflète les conditions de service typiques dans des secteurs tels que l’aérospatiale, l’automobile, l’électrotechnique et la transformation chimique, où les propriétés de transport thermique influencent la dissipation thermique et la fiabilité des composants. Les données expérimentales présentées dans cette note d'application fournissent aux ingénieurs des informations indépendantes sur les matériaux disponibles dans le commerce, afin de les aider à prendre des décisions de conception lorsque de telles données ne sont pas disponibles.
Expérimental
La méthode GHFM permet une mesure directe de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique en régime permanent, offrant ainsi une évaluation simple du transport de chaleur dans des conditions d'équilibre. En revanche, la LFA est une technique transitoire qui mesure la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique (α), laquelle reflète la vitesse à laquelle la chaleur se propage à travers un matériau. Pour déterminer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique (λ) à l’aide de cette technique, la diffusivité mesurée est combinée avec la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique (Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp) et la densité (ρ), déterminées indépendamment. Cette relation s’exprime comme suit :
Cette approche combinée permet une validation croisée entre les valeurs directes et calculées de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique, renforçant ainsi la fiabilité des résultats mesurés.
La Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique a été déterminée à l’aide d’un calorimètre différentiel à balayage (DSC) DSC 300 Caliris® d’ NETZSCH, tandis que la densité en fonction de la température a été obtenue à partir de mesures de dilatation thermique réalisées à l’aide d’un dilatomètre (DIL) 402 Expedis d’ NETZSCH.
Les mesures ont été réalisées dans une plage de températures comprise entre -10 °C et 250 °C afin de rendre compte du comportement dans des conditions d’utilisation typiques, y compris dans la région de transition vitreuse.
Résultats et discussion
La Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique (Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp) en fonction de la température des matériaux TECAPEEK® naturel et TECAPEEK® GF30 naturel a été mesurée en vue de son utilisation dans les calculs de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique basés sur la méthode LFA (figure 2). Sur toute la plage de températures, le matériau non chargé présente des valeurs de Cp plus élevées que le matériau renforcé de fibres de verre, en raison de la contribution plus faible des fibres inorganiques à la capacité thermique. Les deux matériaux présentent une transition vitreuse distincte, le TECAPEEK® naturel affichant un point médian autour de 157 °C, tandis que le TECAPEEK® GF30 naturel présente un point médian légèrement inférieur, à 152 °C. Le comportement de transition vitreuse du PEEK peut également être suivi à l’aide d’une DSC à modulation de températureLa DSC à modulation de température (TM-DSC) est utilisée pour séparer les effets thermiques multiples qui se produisent dans la même plage de température et se chevauchent dans la courbe DSC.DSC à modulation de température [4].
La dilatation thermique en fonction de la température des matériaux TECAPEEK® naturel et TECAPEEK® GF30 naturel a été mesurée afin de corriger l’épaisseur des échantillons dans les calculs de diffusivité et la densité dans les déterminations de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique (figure 3) ; toutefois, une analyse plus approfondie de ces données fournit également des informations précieuses sur le comportement des matériaux. On observe une augmentation marquée de la dilatation à proximité de la température de transition vitreuse (Tg), où la mobilité accrue des chaînes entraîne un coefficient de dilatation thermique plus élevé. Dans le matériau renforcé de fibres de verre, la dilatation est fortement influencée par l’anisotropie résultant de l’orientation des fibres, de la microstructure et de l’historique de transformation, ce qui se traduit par un comportement dépendant de la direction des fibres [5].
Les mesures de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique obtenues à partir du GHFM et du LFA montrent une forte concordance sur toute la plage de températures, les deux matériaux présentant une conductivité croissante avec la température (figure 4). Le TECAPEEK® GF30 naturel présente systématiquement une Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique supérieure à celle du TECAPEEK® naturel, ce qui s’explique par l’amélioration des voies de transfert thermique assurée par les fibres de verre.
Les résultats relatifs à la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique obtenus dans cette étude concordent également bien avec ceux présentés dans la note d’application n° 327 d’ NETZSCH [5], tant au niveau des valeurs absolues que des tendances en fonction de la température. Dans cette note d’application, la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique déterminée par mesure directe par GHFM et par calculs indirects par LFA montre une corrélation étroite lorsque des valeursde Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp et de densité correctes sont utilisées. De même, le présent travail montre une excellente cohérence entre les résultats obtenus par GHFM et par LFA sur toute la plage de températures, les écarts restant dans les limites de l’incertitude expérimentale typique. Dans l’ensemble, la forte concordance entre cette étude et les travaux antérieurs confirme la fiabilité des méthodes GHFM et LFA et valide leur applicabilité tant aux systèmes PEEK non chargés qu’à ceux renforcés de fibres de verre.
Résumé
La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique du TECAPEEK® naturel et du TECAPEEK® GF30 naturel a été évaluée sur une plage de températures comprise entre -10 °C et 250 °C à l'aide d'un débitmètre thermique à chambre isolée (GHFM) et d'une analyse par flash laser (LFA). Les résultats montrent que la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique augmente avec la température pour les deux matériaux, le TECAPEEK® GF30 naturel présentant une conductivité plus élevée en raison d’un transfert de chaleur amélioré grâce au renfort en fibre de verre. La forte concordance entre les résultats du GHFM et de la LFA, combinée à la cohérence avec les études d’ NETZSCH s antérieures, démontre la fiabilité de ces méthodes pour la caractérisation thermique.