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).

Partenaires

  • NPL
  • CMI
  • LNE
  • MKEH
  • PTB

De nouveaux matériaux piézoélectriques et électrocaloriques ont été formulés récemment et peuvent être utilisés à haute température (jusqu'à 800 °C).

Objectifs

Développer les moyens métrologiques pour étudier les couplages entre les phénomènes thermiques, mécaniques et électriques dans les matériaux piézoélectriques et électrocaloriques, à haute température et sous champ électrique élevé

Résumé et premiers résultats

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Vue du diffusivimètre du LCM
Vue du diffusivimètre

Les matériaux piézoélectriques pourraient être utilisés pour fabriquer des capteurs statiques ou des actionneurs fonctionnant à haute température (jusqu'à 800 °C). Les matériaux à effet électrocalorique élevé pourraient être utilisés pour constituer des modules statiques (sans élément mobile) permettant un transfert de chaleur, du chaud vers le froid ou du froid vers le chaud, avec une efficacité énergétique élevée.

Le LNE a réalisé les adaptations techniques de ses installations  de mesure de la diffusivité thermique, de la capacité thermique massique et de la conductivité thermique des couches minces pour être en capacité de réaliser des mesures sur des éprouvettes soumises à des champs électriques. Des mesures de propriétés radiatives ont été réalisées sur un matériau piézoélectrique (BiFeO3-PbTiO3)  de la température ambiante jusqu’à 500 °C pour le domaine spectral visible et proche infrarouge.

Ce matériau présente de fortes variations de l’émissivité spectrale en fonction de la température dans le domaine proche infrarouge. Ces résultats seront utilisé par un des partenaires du projet pour mesurer par interférométrie les variations dimensionnelles des matériaux piézoélectriques. 

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Mesures de propriétés radiatives sur un matériau piézoélectrique de la température ambiante jusqu'à 500 °C
Mesures de propriétés radiatives sur un matériau piézoélectrique en fonction de la température

Des mesures de la capacité thermique d’un matériau électrocalorique multicouche en fonction de la température et du champ électrique ont été effectuées. Des essais de mesure par calorimétrie de la variation d’énergie d’un matériau électrocalorique multicouche due à l’application ou au retrait du champ électrique ont été réalisés. Le laboratoire a commencé à travailler sur la définition de facteurs d’efficacité (figure of merit) des matériaux électrocaloriques pour des applications de refroidissement ou de chauffage.


Un guide de bonne pratique pour les mesures des propriétés radiatives des matériaux pyroélectriques et électrocaloriques a été rédigé.

 

Site du projet :

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

Impacts scientifiques et industriels

Soutien au développement de nouveaux produits et techniques utilisant les matériaux fonctionnels.

Publications et communications

HAMEURY J., STEVENSON T., SHPAK M., WOOLLIAMS P., WEAVER P., CORREIA T., KLAPETEK P., SCHMITZ - KEMPEN T. et HAY B., “Measurement of spectral radiative properties of piezoelectric materials”, 20th European Conference on Thermophysical Properties (ECTP), Porto, Portugal, 31 août - 4 septembre 2014.

Partenaires

  • NPL (UK),
  • CMI (CZ),
  • MIKES (FI),
  • PTB (DE),
  • LNE (FR), 
  • Univ. Leeds (UK),
  • aixACT (DE)

Résumé

Les revêtements céramiques épais déposés par projection plasma sont largement utilisés à haute température comme boucliers thermiques ou comme revêtements résistants à l’usure et à la corrosion. La caractérisation de la diffusivité thermique et de la conductivité thermique de ces matériaux est particulièrement importante pour les revêtements utilisés dans les domaines aéronautique, automobile et de production d’énergie. Il est donc nécessaire de disposer d’un équipement de référence pour la mesure de ces propriétés thermiques dans une large plage de températures et avec des incertitudes de mesure fiables, permettant d’effectuer des mesures et des étalonnages traçables au SI. Le diffusivimètre de référence du LNE, opérationnel depuis plusieurs années pour les mesures de la diffusivité thermique de matériaux homogènes moyens et bons conducteurs thermiques, fonctionne sur le principe de la méthode flash en face arrière et est relativement mal adapté aux mesures réalisées sur un revêtement (problèmes liés à l’épaisseur du substrat). L’installation de mesure existante a donc été modifiée, afin de permettre de déterminer la diffusivité thermique de revêtements à partir de la mesure de la température de la face soumise à l’impulsion (méthode flash avant) ou de la face opposée (méthode flash arrière). Elle permet par ailleurs, moyennant certaines conditions, de mesurer simultanément la diffusivité thermique et l’effusivité thermique de ces revêtements à haute température par la méthode flash « face avant ». Cette méthode a d’abord été validée, entre la température ambiante et 1 400°C, en comparant les résultats de mesure obtenus sur deux matériaux homogènes bien connus (fer Armco et graphite Poco) avec ceux obtenus en utilisant la méthode flash « face arrière ». Les valeurs de la diffusivité thermique ainsi obtenues ont un écart relatif inférieur à 3,5%, dépendant de la température et des matériaux, avec une incertitude relative élargie inférieure à 5,5%. La méthode flash « face avant » a ensuite été appliquée à la détermination de la conductivité thermique d’un revêtement d’oxyde de chrome déposé sur un substrat en alliage de fer, entre 23°C et 800°C, en exploitant des mesures simultanées de la diffusivité thermique et de l’effusivité thermique. Les résultats ont été comparés aux valeurs de la conductivité thermique déterminées par une méthode indirecte à partir de la diffusivité thermique, de la capacité thermique massique et de la masse volumique. Les valeurs de la conductivité thermique mesurées en utilisant les deux méthodes sont en bon accord, avec un écart relatif inférieur à 7%, et se situent dans la plage des incertitudes de mesure.

Mots clés

conductivité thermique
diffusivité thermique
dépôt céramique
haute température
méthode flash
oxyde de chrome

Résumé

Pour les hautes températures (de 600 °C à 962 °C), les incertitudes d’étalonnage par comparaison des thermomètres à résistance de platine et des couples thermoélectriques sont limitées par l’instabilité et la répétabilité des thermomètres étalons et par le manque d’uniformité en température des volumes de travail des fours équipés de blocs de comparaison. Pour améliorer ces incertitudes, nous avons étudié la possibilité de connecter simultanément plusieurs caloducs, travaillant avec des fluides caloporteurs différents et contrôlés par le même système de régulation de pression. Le dispositif expérimental, appelé « amplificateur de température » est composé de deux caloducs remplis avec du sodium et de l’eau. Cet article fait le point sur ce travail qui a débouché sur un outil opérationnel et présente les incertitudes d’étalonnage associées.

Mots clés

caloduc
amplificateur de température
caloduc régulé en pression
thermomètre
thermocouple
étalonnage

Résumé

Les travaux relatés dans cet article s’inscrivent dans un projet européen (Euramet 732) concernant la matérialisation de l’Échelle internationale de température (EIT-90) entre 83,805 8 K et 1 234,93 K. La partie française du projet a été menée selon deux axes de recherche. Le premier avait pour objectif la réduction de l’incertitude affectant la réalisation de points fixes spécifiques [Point triple de l’argon (83,805 8 K), point triple du mercure (234,315 6 K), point de congélation de l’aluminium (933,473 K)]. Le deuxième axe avait pour but le développement d’un générateur de température basé sur les techniques de la calorimétrie adiabatique au point d’indium (429,748 5 K). Les avancées issues de ces études, aussi bien en ce qui concerne la maîtrise des échanges thermiques que la modélisation de l’influence des impuretés sur la température de changement de phase, pourront être extrapolées aux autres points fixes du même type. Les innovations technologiques conçues dans le cadre de ces travaux pourront également être étendues, après adaptation, à des gammes de températures plus élevées.

Mots clés

thermométrie
température
points fixes
eit-90
argon
mercure
aluminium
effet des impuretés
metrologie

Résumé de la thèse

Aujourd’hui, les hygromètres de référence sont raccordés aux études de température par l’intermédiaire des générateurs d’air humide. Afin de permettre l’étalonnage d’hygromètres pour des températures de rosée positives allant jusqu’à 90 °C, un prototype de générateur d’air humide a été réalisé. Le modèle de transfert de masse et de chaleur en deux dimensions, établi dans ce cadre, est présenté. L’incertitude type composée sur la température de rosée est estimée en utilisant la loi de propagation des incertitudes puis par propagation des distributions. L’étalonnage d’un hygromètre de référence a été réalisé entre 20 °C et 80 °C afin de valider les résultats obtenus.

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Résumé de la thèse

L’Échelle Internationale de Température de 1990 (EIT-90) est matérialisée, pour les températures inter-médiaires, du point triple de l’eau à 0,01 °C au point de congélation de l’argent à 961,78 °C, par un ensemble de points fixes liés aux transitions de phases solide-liquide (fusion) ou liquide-solide (congélation) de métaux de hautes puretés. Ces points fixes permettent d’étalonner les thermomètres à résistance de platine en mesurant leur réponse à des niveaux de température connus et imposés par le changement d’état des métaux considérés.

La méthode classique dite à flux permanent consiste à mettre en œuvre un point fixe dans une enceinte thermique dont la température reste légèrement différente de celle de la transition de phase du métal de référence. La mesure de température s’effectue ainsi dans un système constamment en état de déséquilibre thermique, et se trouve entachée d’incertitudes ayant pour sources des perturbations d’ordre thermique. De plus, la présence d’impuretés sous forme de traces dans le métal de référence entraîne des effets thermochimiques altérant la température de changement d’état, constituant une autre source d’incertitude. À l’heure actuelle, les budgets d’incertitudes fournis par les laboratoires de métrologie ne distinguent pas les composantes thermiques et thermochimiques.

Les travaux réalisés dans le cadre de la thèse, associant le LAUM et le LNE, proposent une méthode alternative aux mises en œuvres classiques, par l’approche de la calorimétrie adiabatique. Le point de fusion de l’indium (156,598 5 °C) est étudié en s’affranchissant de toute per-turbation thermique, permettant ainsi de quantifier les influences thermochimiques. Le calorimètre adiabatique conçu repose sur le principe d’une cellule point fixe au sein d’une autre cellule point fixe. Différents capteurs, thermométriques et fluxmétriques, ont été utilisés pour le contrôle thermique et le pilotage du dispositif. Au vu des conditions thermiques particulières obtenues dans ce dispositif original, une instrumentation spécifique et innovante a été développée, notamment des fluxmètres thermiques conductifs. Par ailleurs, le couplage des moyens de mesure de température et de flux thermique, a permis de développer de nouvelles approches analytiques pour les études énergétiques et thermodynamiques, apportant des enseignements nouveaux sur les phénomènes physiques associés aux réalisations des points fixes de température.

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Résumé de la thèse

La détermination des propriétés physiques de l’eau pure, notamment la pression de vapeur saturante en fonction de la température, est un enjeu majeur en humidité et identifié comme tel par le sous-groupe Humidité du Comité consultatif de thermométrie (CCT-WG6) afin d’améliorer les incertitudes des références nationales en humidité.

A cette fin, le LNE-CETIAT et le LNE-Cnam ont développé conjointement un dispositif expérimental permettant d’accéder au couple température/pression de la vapeur saturante de l’eau pure. Le principe repose sur une mesure statique de la pression et de la température dans une cellule d’équilibre associée à un calorimètre quasi adiabatique. La gamme de températures d’équilibre couverte s’étend de 193,15 K à 373,15 K, et correspond à une pression de vapeur saturante allant de 0,06 Pa à 105 Pa.

La thèse présente la description, la réalisation et la caractérisation métrologique de ce nouveau dispositif expérimental. Les résultats des mesures expérimentales sont comparés à ceux de travaux théoriques et expérimentaux les plus récents. Le budget d'incertitude final prend en compte la contribution de la mesure de pression, de la mesure de température et des effets parasites telles que la transpiration thermique et la pression aérostatique. Grâce aux différentes solutions mises en œuvre, la contribution des mesures de température dans le bilan d’incertitude global est réduite. La part prépondérante de l’incertitude reste essentiellement liée à la mesure de pression.

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Résumé de la thèse

Depuis 2005, il existe un intérêt important dans la communauté internationale de métrologie pour de nouvelles déterminations précises de la constante de Boltzmann, k, le but étant de redéfinir en 2015 l’unité internationale de température, le kelvin. Actuellement, cinq techniques sont utilisées pour déterminer k avec comme objectif d’atteindre une incertitude relative inférieure à 1×10−6. La méthode retenue pour cette thèse est la technique acoustique.

La constante de Boltzmann est liée à la vitesse du son u dans un gaz parfait par l’équation du viriel acoustique. La méthode décrite dans cette thèse consiste à mesurer u en utilisant un résonateur de forme quasi sphérique et de volume intérieur de 0,5 L, rempli d’argon. Ces mesures sont effectuées sur une isotherme à la température du point triple de l’eau, T = 273,16 K, pour des pressions statiques P allant de 0,05 MPa à 0,7 MPa. La constante de Boltzmann est ensuite déterminée en estimant u à pression nulle par une régression polynomiale.

Dans cette thèse, un modèle de propagation des ondes acoustiques dans un résonateur quasi sphérique a été défini. Aussi, les moyens techniques utilisés pour contrôler soigneusement les paramètres de l’expérience qui ont un effet sur les mesures de u (comme la température, la pression statique, la composition du gaz, etc.) sont présentés. De nouvelles techniques expérimentales et des nouveaux moyens d’analyse des données sont proposés, comme la mesure du rayon du résonateur par spectroscopie électromagnétique, mais aussi l’utilisation de la variance d’Allan comme un outil efficace pour étudier la présence d’impuretés lors d’une expérience de longue durée. Les effets systématiques sont analysés puis corrigés. Pour certains, la correction est estimée grâce à un modèle analytique, comme l’effet lié aux couches limites thermiques. Pour d’autres, des corrections basées sur des fonctions empiriques sont proposées ; c’est le cas pour l’effet du débit de gaz continu sur les mesures de u, effet qui est caractérisé expérimentalement dans cette thèse.

Enfin, l’analyse des données acquises en 2009 au LCM/LNE-CNAM sur deux isothermes effectuées avec de l’argon est présentée. Celle-ci a permis d’obtenir la valeur k = 1,380 647 5(16)×10−23 J·K−1, c’est-à-dire avec une incertitude relative de 1,14×10−6.

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Résumé de la thèse

La forte variation des propriétés électriques, thermiques et optiques des chalcogénures en fonction de leurs structures en a fait l’un des matériaux les plus largement étudiés pendant les dernières années. Les transitions de phase structurelles sont engendrées par la chaleur, notamment le retour à la phase amorphe depuis la phase cristalline se fait uniquement en passant, très rapidement, à travers la phase fondue. Cependant, aucune caractérisation thermique n’a été menée au-delà de sa température de fusion et à l’échelle micrométrique.

Les travaux de thèse portent sur la caractérisation thermique à l’échelle micrométrique d’un alliage à base de tellure lorsque ce matériau se trouve à l’état fondu, à haute température.

À cette fin, une cellule innovante d’emprisonnement du matériau fondu a été conçue et mise en place. Des structures de tellure au volume d’environ un microlitre ont été déposées sur un substrat de silicium utilisant la technique MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). Ces structures ont été recouvertes par la suite d’une couche de protection capable de les emprisonner dans une matrice : silice amorphe déposée par EBPVD (Electron Beam Physical Vapor Deposition) et alumine amorphe déposée par ALD (Atomic Layer Deposition). La technique de la radiométrie photothermique modulée a été utilisée pour étudier les propriétés thermiques de ce type de cellules et de ces constituants. La résistance thermique de dépôt a été ainsi estimée en utilisant un modèle d’étude des transferts de la chaleur utilisant le formalisme des impédances thermiques. Ceci a permis dans le cas de l’alumine amorphe de déterminer sa conductivité thermique et la résistance thermique de contact avec le substrat jusqu’à 600 °C. Un long processus de conception, de mesure et d’analyse a été nécessaire afin d’obtenir une cellule capable de résister aux  contraintes des hautes températures. À l’heure actuelle, seule la caractérisation thermique jusqu’à 300 °C a été possible à cause de l’instabilité mécanique de ce dépôt hétérogène. Ceci a été confirmé par des caractérisations physico-chimiques par techniques XRR (X-Ray Reflectivity), XRD (X-Ray Diffraction) et SEM (Scanning Electron Microscopy).

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