Qu’est-ce qu’un instrument de mesure de la conductivité thermique ?
Les instruments de mesure de la conductivité thermique sont des dispositifs utilisés pour mesurer la conductivité thermique des matériaux.
Il en existe différents types, tels que ceux utilisant une plaque chauffante, un fil chaud ou un laser. La conductivité thermique est la valeur de la facilité de transfert de chaleur à l’intérieur d’un matériau. Elle constitue l’un des moyens de caractériser un matériau. Par exemple, on peut dire que les casseroles et les poêles se réchauffent plus rapidement si la conductivité thermique est élevée, et qu’elles retiennent mieux la chaleur si elle est faible.
Utilisations des instruments de mesure de la conductivité thermique
Les instruments de mesure de la conductivité thermique sont utilisés pour évaluer les processus de fabrication des produits et pour développer de nouveaux matériaux et produits.
1. L’évaluation des performances de rétention de la chaleur
L’évaluation de la capacité de rétention de la chaleur des conteneurs de stockage en est un exemple. Plus la conductivité thermique est faible, plus les propriétés d’isolation sont élevées et plus le produit peut rester chaud longtemps. La conductivité thermique est mesurée en tant qu’indicateur de cette performance.
2. Le développement de matériaux dissipateurs de chaleur
Récemment, la conductivité thermique a été de plus en plus utilisée dans le développement de matériaux dissipateurs de chaleur : dans les unités centrales de traitement, par exemple, la dissipation de la chaleur est un facteur important. Effectivement, elle permet d’éviter l’emballement thermique causé par la production de chaleur.
Plus la conductivité thermique de la graisse thermoconductrice utilisée pour améliorer la dissipation de la chaleur est élevée, plus la dissipation de la chaleur est importante.
Principe des instruments de mesure de la conductivité thermique
Les instruments de mesure de la conductivité thermique peuvent être divisés en deux grandes catégories : les méthodes en régime permanent et les méthodes en régime transitoire.
1. La méthode en régime permanent
La méthode en régime permanent mesure directement la conductivité thermique en générant un gradient thermique constant. Un flux de chaleur constant est ainsi généré en rendant un côté de l’échantillon chaud et l’autre froid.
En mesurant le flux de chaleur à l’aide d’un compteur prévu à cet effet ou d’un matériau dont la conductivité thermique et la température sont connues, la conductivité thermique peut être mesurée à partir de la différence de température générée dans l’échantillon. Le principe simple permet des mesures précises. Toutefois, le contrôle de la température de la surface de l’échantillon et la dissipation de la chaleur dans l’environnement peuvent entraîner des erreurs. Autre inconvénient : il faut beaucoup de temps pour atteindre un état stable.
2. La méthode en régime transitoire
La méthode en régime transitoire est une méthode de mesure de la conductivité thermique qui consiste à appliquer une chaleur non constante à un échantillon. En mesurant le changement de température de l’échantillon dans le temps après l’application de la chaleur, la conductivité thermique peut être calculée. Les différentes méthodes comprennent la méthode du flash laser, qui utilise un faisceau laser, et la méthode du fil chaud, qui utilise un fil chauffant.
Dans la méthode du flash laser, l’échantillon est chauffé à l’aide d’un faisceau laser et détecté par un capteur infrarouge. L’inconvénient est qu’il est difficile de détecter des objets dont la conductivité thermique est trop faible. Dans la méthode du fil chaud, un fil chaud est passé à travers l’échantillon et chauffé. Cette méthode permet de mesurer indistinctement des substances solides et liquides.
Autres informations sur les instruments de mesure de la conductivité thermique
1. Les différences avec les instruments de mesure de la diffusivité thermique
La diffusivité thermique est généralement mesurée par des appareils utilisant la méthode du flash laser, tandis que la conductivité thermique ne peut être mesurée directement.
La conductivité thermique peut être déterminée en multipliant la diffusivité thermique obtenue avec un appareil de mesure à flash laser par la chaleur spécifique et la densité.
La chaleur spécifique est déterminée à l’aide d’un analyseur thermique différentiel (DSC), tandis que la densité est mesurée à l’aide d’une méthode telle que la méthode de déplacement dans l’eau. Cette dernière est connue sous le nom de “méthode d’Archimède”. La méthode du flash laser peut être utilisée pour mesurer la diffusivité thermique d’une large gamme de matériaux polymères tels que le caoutchouc et les plastiques, les matériaux céramiques et même les matériaux métalliques. En revanche, les conditions d’essai sont limitées et les matériaux à mesurer sont denses plutôt que poreux.
Ils doivent être exempts de défauts tels que la porosité de retrait et la fissuration, qui sont courants dans les matériaux métalliques. Les matériaux composites et stratifiés constitués de fibres ou de matériaux granulaires ne peuvent donc pas être mesurés.
Outre la méthode du flash laser, les appareils de mesure de la diffusivité thermique comprennent également une méthode de chauffage cyclique. Dans cette méthode, la réponse de température ou la différence de phase est déterminée à partir celle de la température ou de la différence de phase à une certaine distance lorsque de l’énergie thermique variant périodiquement est appliquée. Toutefois, cette méthode ne permet pas non plus de mesurer directement la conductivité thermique.
2. Le conductivimètre thermique rapide (méthode de chauffage par fil fin non stationnaire)
Le conductivimètre thermique rapide utilisant la méthode de chauffage à fil fin non stationnaire est efficace pour mesurer rapidement les coefficients de transfert thermique. La partie capteur se compose d’un fil chauffant tendu en ligne droite et d’un thermocouple. Un courant constant est ensuite appliqué pour augmenter la température de chauffage.
Par exemple, si l’échantillon a une conductivité thermique élevée, comme les céramiques, la chaleur se diffuse rapidement dans l’échantillon et la température du fil chauffant diminue. Inversement, pour un échantillon à faible conductivité thermique, la température du fil chauffant augmente et la conductivité thermique peut être déterminée à partir de la pente du graphique d’augmentation de la température à ce moment-là.
Pour les échantillons uniformes, la conductivité thermique peut être mesurée rapidement ainsi que facilement, et l’instrument de mesure lui-même est compact et portable. Autre avantage important : les mesures peuvent être effectuées immédiatement sur place. Il peut être utilisé pour un large éventail de domaines, des matériaux de construction industriels à l’alimentation et aux vêtements.
Voici quelques exemples mesurables :
- Les matériaux d’isolation à base de fibres et de mousse plastique, etc.
- Les plastiques, le verre, le bois, etc.
- Les feuilles, peaux, échantillons de plaques minces, etc.
- La pâte à pain, les produits pétris, les poudres, etc.
- Les matériaux isolants réfractaires à haute température, céramiques, etc.