Depuis août 2012 les fabricants de produits de construction doivent déclarer les valeurs des performances des produits de protection thermique qu’ils commercialisent en Europe. La conductivité thermique et la résistance thermique sont les performances clés qui doivent être déclarées. Toutefois, le niveau d’accord actuel entre les laboratoires nationaux de référence est encore trois fois supérieur au maximum de 5 % autorisé dans les règlements du Parlement européen.

Objectifs

Développer les moyens métrologiques pour mesurer la conductivité thermique des matériaux peu conducteurs (0.02 W·m⁻¹·K⁻¹ à 1 W·m⁻¹·K⁻¹) dans le domaine de température de 80 °C à 800 °C

Définition de matériaux étalonnés en conductivité thermique pour assurer le raccordement métrologique des installations de mesure industrielles

L’objectif en terme d’incertitude relative est 5 % sur la conductivité thermique

Résumé et premiers résultats

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Plaque chaude gardée
Plaque chaude gardée

La mise en oeuvre des règlements européens nécessite des développements scientifiques pour améliorer les mesures de conductivité thermique.


Pour les mesures de conductivité thermique, le LNE dispose de deux plaques chaudes gardées (PCG) pouvant fonctionner jusqu’à 800 °C : une PCG commerciale Netzsch de grande dimension (500 x 500 mm) et une PCG de dimension 300 x 300 mm construite par le LNE. La PCG Netzsch est à priori particulièrement adaptée pour les matériaux les moins conducteurs en raison de ses grandes dimensions et la petite plaque chaude est plus adaptée pour les matériaux rigides et les matériaux peu épais en raison de sa souplesse d’utilisation. Pour ce projet, le LNE travaille à adapter la petite PCG pour être opérationnelle jusqu’à 800 °C dans les meilleures conditions métrologiques  (agrandissement de la zone de mesure, mise en place d’une garde thermique périphérique). La PCG Netzsch doit être caractérisée métrologiquement pour permettre une évaluation correcte des incertitudes. La caractérisation métrologique comportera l’étalonnage in-situ des capteurs de température, la mesure des défauts d’isothermie des plaques et les quantifications expérimentales des fuites/gains parasites de flux de chaleur.

Les émissivités normales spectrales de 3 peintures « hautes températures » ainsi que celle du Nickel 201 ont été mesurées jusqu’à 800 °C. Seules les peintures AREMCO Hi-coat 840-M et Pyromark 2500 respectent la spécification d’une émissivité totale hémisphérique supérieure à 0.8 requise par les normes relatives aux mesures de conductivité thermique par plaques chaudes gardées.


Le LNE a réalisé des mesures de transparence de matériaux identifiés comme matériaux candidats pour être utilisés comme matériaux de comparaisons lors du projet et éventuellement comme matériaux « certifiables » à l’issue du projet. Les 6 matériaux testés présentent des transparences non nulles pour de faibles épaisseurs (entre 1 et 5 mm), par contre les matériaux testés sont opaques pour une épaisseur supérieure à 5 mm.

Une revue bibliographique sur l’applicabilité de la technique « laser-flash monodimensionnelle » pour les mesures indirectes de conductivité thermique sur des matériaux composites anisotrope a été menée. Elle a montré que la technique ne peut être appliquée que si le matériau peut être considéré comme homogène dans la direction de mesure. En pratique, c’est le cas pour les matériaux à structure « périodique » dans la direction de mesure à condition que cette structure se répète suffisamment de fois dans l’épaisseur de l’éprouvette.

 

Site du projet :

http://projects.npl.co.uk/thermo/

Impacts scientifiques et industriels

  • Pouvoir mettre à disposition des demandeurs (industriels producteurs ou utilisateurs de matériaux) des moyens de mesure de conductivité thermique maîtrisés jusqu’à 800°C.
  • Rédaction de normes réalistes basées sur des études expérimentales pour les mesures de conductivité de référence jusqu’à 800 °C.
  • Fiabiliser les résultats issus des modélisations de transferts thermiques en consolidant les données d’entrée.

Publications et communications

WU J., MORRELL R., FRY T., GNANIAH S., GOHIL D., DAWSON A., HAMEURY J., ALAIN K., HAMMERSCHMIDT U., TURZÓ-ANDRÁS E., STRNAD R. et BLAHUT A., “Provisional Assessment of Candidate High Temperature Thermal Conductivity Reference Materials in the EMRP 'Thermo' Project'”, Proceedings of 32nd ITCC and 20th ITES, Purdue University, West Lafayette, États-Unis d'Amérique, 27 avril – 1er mai 2014.

HAMEURY J., KOENEN A., HAY B., WU J., STACEY C., HAMMERSCHMIDT U., PENNEWITZ E., RAFELD E. K., TURZÓ-ANDRÁS E., STRNAD R. et BLAHUT A., “Identification and characterization of new materials for construction of hot and cold plates for high temperature guarded hot plates”, 20th European Conference on Thermophysical Properties (ECTP), Porto, Portugal, 31 août - 4 septembre 2014.

HAMMERSCHMIDT U., HAMEURY J., STRNAD R., TURZÓ-ANDRAS E. et WU J., “Critical Review of Industrial Techniques for Thermal Conductivity Measurements of Thermal Protection Materials”, International Journal of Thermophysics (à paraître).

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