Modèle de pénétration dans le logiciel NETZSCH LFA - Les matériaux poreux enfin traités correctement !

Introduction

Depuis la mise au point de la méthode du flash laser par Parker et al. en 1961 [1], diverses améliorations ont été apportées à cette méthode pour la détermination sans contact et non destructive de la diffusivité thermique. De nos jours, le matériel et les logiciels doivent permettre d'effectuer des mesures sur des échantillons de géométries, de formes et d'aspects différents. Il est devenu nécessaire que l'appareil laser/éclair (LFA) puisse tester non seulement les solides, mais aussi les échantillons pulvérulents, liquides, émiettés et poreux. Pour cette raison, certaines conditions matérielles préalables, telles que des porte-échantillons spécifiques, doivent être fournies. En outre, les modèles logiciels qui prennent en compte l'influence de la forme de l'échantillon deviennent de plus en plus importants pour la détermination précise de la diffusivité thermique (a), de la conductivité thermique (λ) et de 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}).

Ces dernières années, NETZSCH a continuellement amélioré et développé des modèles de calcul, des corrections et des opérations mathématiques prenant en compte la perte de chaleur en combinaison avec la correction d'impulsion, le rayonnement, les systèmes multicouches, les essais dans le plan, les corrections de la ligne de base, etc. Cette note d'application présente le modèle de pénétration basé sur McMasters [2] pour les mesures sur les matériaux poreux.

Les matériaux poreux sont un défi - mais pas pour le modèle de pénétration

Pour les mesures de flash standard, la face avant de l'échantillon absorbe l'énergie totale. Une onde thermique traverse alors l'épaisseur de l'échantillon avant d'atteindre la face arrière (figure 1). Pour les matériaux poreux, NETZSCH a introduit le modèle de pénétration (figure 2) qui tient compte des considérations suivantes :

• L'absorption de l'énergie de l'impulsion n'est plus limitée à la face avant
• L'absorption s'étend sur une fine couche dans l'épaisseur de l'échantillon.
• Les couches d'absorption peuvent être traitées comme le libre parcours moyen dans le matériau.

La prise en compte de ces aspects se traduit par une distribution initiale de la température à décroissance exponentielle à l'intérieur de l'échantillon. L'application de cette approche, qui tient compte de la porosité du matériau, permet d'améliorer l'exactitude et la précision des valeurs de diffusivité thermique, de conductivité thermique et de 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 déterminées.

Conditions de mesure

Un isolant en feutre de graphite a été mesuré entre la température ambiante et 90°C avec le NETZSCH LFA 427 et, à des fins de comparaison, avec le compteur de flux de chaleur NETZSCH HFM 436 Lambda. Les épaisseurs des échantillons étaient respectivement de 5,4 mm et 20 mm. La densité a été déterminée à 0,082 ^g/cm3 à 20°C.

Résultats des mesures

La figure 3 illustre : a) les résultats des mesures de l'ACL démontrant l'évolution de la diffusivité thermique contrôlée sur la base du modèle de pénétration, b) les données bibliographiques de 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 du graphite POCO, et c) la conductivité thermique calculée sur la base de l'équation :

λ = а - ρ - _{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}

avec
λ = conductivité thermique
α = diffusivité thermique
ρ = densité
_{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} = 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

La mesure de l'ACL a été évaluée une première fois avec le modèle standard (Cowan, [3]) et une seconde fois avec le modèle de pénétration. La figure 4 montre clairement que la même mesure donne des résultats de conductivité thermique différents selon les modèles de calcul utilisés. La question de savoir quel est le meilleur résultat peut être résolue en vérifiant l'augmentation du signal (figure 5).

La figure 5 montre l'augmentation du signal du détecteur. Le graphique de gauche illustre l'utilisation du modèle standard. Il indique clairement que le modèle standard donne un ajustement insuffisant. Dans ce cas, la diffusivité thermique est déterminée comme étant de 0,753 ^mm2/s- une valeur trop élevée pour le matériau étudié. Cependant, l'utilisation d'un ajustement basé sur le modèle de pénétration (graphique de droite) permet d'obtenir un excellent ajustement du modèle. La valeur de diffusivité thermique obtenue, a = 0,626 ^mm2/s, est inférieure d'environ 17 % et, grâce à l'amélioration de l'ajustement, beaucoup plus fiable que celle obtenue avec le modèle standard de Cowan.

La conductivité thermique étant proportionnelle à la diffusivité thermique, les valeurs sont également plus élevées pour les matériaux standard. La fiabilité des résultats obtenus avec le modèle de pénétration est confirmée par des mesures HFM sur le même matériau. Les résultats LFA et HFM sont en bon accord ; la déviation maximale est inférieure à ±6% (figure 6).

Conclusion

Outre les différents modèles classiques (Cowan 5 / 10, Parker, Cape-Lehman amélioré, etc.), le logiciel NETZSCH LFA Proteus^® comprend un grand nombre de modèles de calcul, de corrections et d'opérations mathématiques. L'un d'entre eux est le modèle de pénétration, qui convient spécifiquement aux matériaux poreux et aux matériaux à surface rugueuse. Cette fonction spéciale du logiciel LFA Proteus^® implique la pénétration de l'éclair lumineux dans l'échantillon au-delà de la surface chauffée. Il tient compte de la porosité de l'échantillon, qui fait qu'une partie de l'énergie de l'éclair lumineux est déposée à l'intérieur de l'échantillon. Cela signifie que le modèle de pénétration prend en compte l'absorption de l'énergie de l'impulsion sur une fine couche dans l'épaisseur de l'échantillon. D'autres méthodes fiables telles que le débitmètre thermique (HFM) confirment les résultats de l'ACL obtenus en appliquant le modèle de pénétration pour le calcul de la diffusivité/conductivité thermique.