Conductivité thermique de céramiques
L’exemple d’application qui suit porte sur la mesure de conductivité thermique de céramiques avec le conductivimètre portable TEMPOS. Il est important de pouvoir mesurer avec précision la conductivité thermique des matériaux afin de déterminer leurs potentielles applications. La mesure de la conductivité thermique des céramiques peut être réalisée de diverses manières, mais toutes les méthodes ne sont pas identiques. La précision de chaque méthode est un facteur déterminant, tout comme la durée ou la facilité de mise en place d’un essai.
Le conductivimètre portable de METER, le TEMPOS, effectue des mesures de conductivité thermique et de résistance thermique sur des sols, des solides, des poudres et des liquides visqueux sur une plage de 0,02 à 5 W/m.K. Les mesures sont effectuées conformément au normes ASTM D5334 et IEEE 442 avec une reproductibilité et une précision inférieures à 10%. Cet équipement est un excellent choix pratique pour une utilisation aussi bien sur le terrain qu’en laboratoire. Le TEMPOS peut réaliser des mesures à des températures comprises entre -50°C et 150°C.
Dans cette application, nous allons étudier les propriétés thermiques de deux céramiques : la stéatite et l’alumine cuite, deux matériaux importants dans les applications industrielles. La stéatite est très prisée pour ses propriétés isolantes et résistantes à la chaleur. Elle est largement utilisée dans les panneaux électriques, la fabrication des poêles à bois, les plans de travail et les moules pour le métal en fusion. En effet, la stéatite a une grande capacité à absorber et à libérer lentement la chaleur à laquelle elle est exposée, sans devenir instable ou se détériorer. Les propriétés physiques de ce matériau peuvent varier entre les différentes carrières selon les compositions minérales, les conditions de pression et les conditions de température pendant la formation. À l’instar de la stéatite, l’alumine cuite est utilisée dans les applications aérospatiales, automobiles et industrielles à grande échelle en raison de ses propriétés isolantes à haute température. C’est un matériau qui peut être facilement façonné et usiné, ce qui en fait un choix pratique.
Le TEMPOS est un instrument de mesure portatif. Il peut être utilisé en laboratoire sur des échantillons prélevés sur le terrain, ou directement in situ, sur le terrain. 
Réalisation des essais de conductivité thermique de céramiques
Pour réaliser un essai, la sonde du TEMPOS est insérée dans l’échantillon et les mesures sont faites sur une période de temps prédéfinie durant laquelle l’échantillon est chauffé puis laissé à refroidir. Cette configuration permet de minimiser les risques d’endommagement de l’échantillon suite aux mesures. Pour ces essais spécifiques, des scientifiques ont découpé des échantillons d’alumine cuite et de stéatite en deux. Ils ont ensuite recouvert la sonde du TEMPOS d’une fine couche de pâte thermique, puis l’ont placée en sandwich entre les deux morceaux découpés de chaque échantillon, assurant un excellent contact thermique. Pour chaque échantillon, cinq mesures ont été réalisées. Le TEMPOS mesure à la fois la conductivité thermique et la résistance thermique de l’échantillon. Il peut également mesurer la diffusivité thermique selon la sonde de mesure utilisée.
Résultats des mesures de conductivité thermique de céramiques
Les valeurs de conductivité thermique et de résistance thermique mesurées par le TEMPOS sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous. La conductivité thermique moyenne mesurée pour l’alumine cuite est de 5,077 W/m.K. Cette valeur se situe dans la plage de conductivité thermique attendue pour ce matériau comprise entre 5 à 5,25 W/m.K. Pour la stéatite, la valeur de conductivité thermique moyenne mesurée est de 3,107 W/m.K, ce qui est également cohérent avec la valeur de référence annoncée pour ce matériau à 3 W/m.K.
| Alumine cuite | Stéatite | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Essai n° | Conductivité thermique (W/m.K) | Résistance thermique (W/m.K) | Essai n° | Conductivité thermique (W/m.K) | Résistance thermique (W/m.K) |
| 1 | 5.005 | 0.199 | 1 | 3.098 | 0.322 |
| 2 | 4.953 | 0.201 | 2 | 3.076 | 0.325 |
| 3 | 5.137 | 0.194 | 3 | 3.203 | 0.312 |
| 4 | 5.181 | 0.192 | 4 | 3.085 | 0.324 |
| 5 | 5.108 | 0.195 | 5 | 3.075 | 0.325 |
| Moyenne | 5.077 | 0.196 | Moyenne | 3.107 | 0.322 |
Tableau 1. Conductivité thermique des sols secs et humides. Les valeurs moyennes affichées sont calculées sur la base des 3 essais pour chaque sol.
Conclusion
Ces essais démontrent la capacité du TEMPOS à mesurer rapidement et avec précision la conductivité thermique de la céramique, le tout avec un minimum de dommages sur l’échantillon lui-même. Le TEMPOS est donc un très bon choix de conductivimètre portable pour la mesure de conductivité thermique et résistance thermique des matériaux, pouvant être utilisé à la fois in situ (sur le terrain) et en laboratoire sur une grande variété d’échantillons.
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