La structure définit la fonction : Transfert de chaleur dans les composites à fibres céramiques anisotropes

Introduction

Dans le domaine de l'ingénierie des hautes températures, la demande de matériaux capables de fonctionner de manière fiable, même dans des conditions thermiques extrêmes, ne cesse de croître. Les matériaux capables de résister à des températures élevées et à de forts gradients de température sur le long terme revêtent une importance particulière. Les composites à base de fibres céramiques se sont imposés comme une solution performante dans ce contexte. Ils sont principalement utilisés pour protéger de la chaleur des composants sensibles et fortement sollicités. Les applications typiques sont les revêtements de chambres de combustion et les composants structurels dans l'industrie de transformation.

En raison de leur structure en couches, ces matériaux présentent des propriétés fortement dépendantes de la direction. Par conséquent, leurs propriétés thermiques peuvent varier de manière significative en fonction de l'orientation des fibres. Pour la conception précise de composants à haute température, il est donc essentiel de comprendre précisément le transport de la chaleur en fonction de l'orientation des fibres.

Méthode et conditions de mesure

L'analyse par flash laser (LFA, principe de mesure dans la figure 1) est utilisée pour déterminer 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, d'un matériau. Combinée à la densité, ρ, et à 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 connue, _{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}, 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, peut être calculée (λ = α - _{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} - ρ).

Pendant la mesure, le fond de l'échantillon est chauffé par une brève impulsion laser, et l'augmentation de la température sur le côté opposé est enregistrée par un détecteur infrarouge. 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 peut alors être déterminée à partir de la courbe de température en fonction du temps en utilisant le modèle mathématique approprié.

Les mesures ont été effectuées sur un composite de fibres céramiques à l'aide du LFA 707 StratoFlash^®Classic dans une plage de températures allant de la température ambiante à 1100°C, reflétant ainsi les conditions de fonctionnement réelles des matériaux.

Deux porte-échantillons différents ont été utilisés : un porte-échantillon standard (figure 2) pour déterminer les propriétés thermiques dans le sens du plan et un porte-échantillon lamellaire pour analyser les propriétés dans le plan.

La figure 3 présente les schémas de préparation des échantillons lors de l'utilisation du porte-échantillon lamellaire.

L'échantillon utilisé pour la mesure dans le plan avait un diamètre de 12,64 mm et une épaisseur d'environ 2,03 mm, tandis que les échantillons dans le plan ont été coupés en bandes et placés sur un porte-échantillon lamellaire d'une longueur de bord de 10 mm et d'une épaisseur d'environ 2,30 mm. Les paramètres de mesure sont détaillés dans le tableau 1.

Tableau 1 : Conditions de mesure de l'ACL

Résultats et discussion

La figure 4 montre que le composite renforcé de fibres étudié présente un profil 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 anisotrope clairement prononcé. Même à température ambiante, il est évident que 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 le long de la direction de la fibre est nettement plus élevée que celle perpendiculaire à la fibre. La différence est d'environ 16 %, ce qui peut être attribué à la direction préférentielle de la conduction thermique le long de la structure de la fibre. Dans cette direction, les chemins continus de la fibre permettent un transport d'énergie plus efficace ; cependant, à travers la fibre, les interfaces et les inhomogénéités structurelles entravent le transport de la chaleur de manière plus significative.

À mesure que la température augmente, cet effet anisotrope diminue légèrement, la différence entre les deux directions tombant à environ 13 %. Cela suggère que des mécanismes supplémentaires, tels que des interactions phonon-phonon renforcées, affaiblissent relativement l'influence de l'orientation de la fibre à mesure que la température augmente.

Dans l'ensemble, les résultats des mesures démontrent que l'orientation des fibres influence de manière significative le comportement du transport thermique. Toutefois, cette influence devient moins prononcée à des températures plus élevées. Les données de 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 obtenues constituent donc une base essentielle pour les simulations thermomécaniques. Elles permettent une représentation réaliste du comportement de ces matériaux anisotropes et contribuent de manière significative à la conception et à la mise en œuvre sûres et efficaces de matériaux de haute performance dans les applications industrielles.

Résumé

L'analyse par flash laser (LFA) permet de déterminer avec précision 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 dans une large gamme de températures, y compris les températures de fonctionnement élevées. L'utilisation de porte-échantillons spéciaux permet de déterminer l'anistropie des matériaux.

En particulier, le porte-échantillon lamellaire facilite l'étude de 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 dans le plan, en complément de la mesure traditionnelle dans le plan. Il est ainsi possible de mesurer expérimentalement les propriétés thermiques anisotropes, même à des températures élevées. Ceci est essentiel pour comprendre les mécanismes de conduction thermique dépendant de la direction et pour la conception réaliste de matériaux à haute performance.