Une Méthode Innovante de la Mesure de la Conductivité Thermique des Matériaux Composites pour la société Airbus
Résumé :
La caractérisation thermique des matériaux est cruciale pour garantir leur performance et leur intégrité dans des applications industrielles. Ce document détaille une étude réalisée sur la conductivité thermique de composites pour la société Airbus. Les mesures, menées par Themacs Ingénierie, visent à déterminer les propriétés thermophysiques de ces matériaux via des méthodes expérimentales spécifiques. Le présent article décrit les méthodologies employées, les mesures effectuées, ainsi que la discussion sur les avantages et limites de cette approche.
L’étude des propriétés thermiques des matériaux composites est essentielle, notamment pour des secteurs critiques tels que l’aérospatiale. Themacs Ingénierie, a initié ce projet pour évaluer les caractéristiques thermiques des composites à travers une série de mesures expérimentales pour la société AirBus.
Méthodologie :
La mesure est double : on mesure en régime permanent la conductivité thermique et l’on mesure en régime instationnaire la diffusivité (uniquement en mode longitudinal). Pour cela l’échantillon est soumis à un gradient thermique afin de mesurer le flux thermique et la différence de température. Le dispositif est conçu pour des mesures longitudinalement aux fibres et transversalement aux fibre. Les photos ci-dessous montre le principe de mesure dans les deux configuration. Cela montre le dispositif sous différent angles. Les écrans radiatifs pour le mode longitudinal arrivent à mi-hauteur et sont doubles afin que leurs températures moyennes correspondent à la moyenne de la température de l’échantillon.
Les mesures ont été réalisées grâce à un dispositif expérimental spécifique, permettant une analyse en deux directions : longitudinale et transversale du matériau. En effet, les composite de type CFRP (Carbon Fiber Renforced Polymer) et GFRP (Glass Fiber Renforced Polymer) sont des matériaux fortement anisotrope. Ce dispositif intègre des composants tels que des écrans radiatifs et un système de chauffage à résistance pour garantir la précision des mesures.
La photo ci dessous montre les deux configuration permettant de mesurer la conductivité dans les deux direction:
Le porte échantillon permettant de mesurer 6 échantillons similaire en une seule descente en température est présenté dans les deux photos ci-dessous:
Les mesures ont été réalisées grâce à un dispositif expérimental spécifique, permettant une analyse en deux directions : longitudinale et transversale du matériau. Ce dispositif intègre des composants tels que des écrans radiatifs et un système de chauffage à résistance pour garantir la précision des mesures. Le dispositif est schématisé ici :
Les deux mesures de température se trouve à deux hauteurs différentes de l’échantillon. L’excitation en puissance doit être en régime permanent et en régime instationnaire. La solution choisie a été une excitation en peigne de Dirac. Ainsi une valeur moyenne de la puissance injectée permet d’obtenir la conductivité thermique et l’étude en fréquence permet d’obtenir la diffusivité. On peut voir sur le graphique ci-dessous montrant les deux températures. A partir de ces mesures on peut déterminer la diffusivité dans le domaine fréquentiel.
Résultats :
Les résultats révèlent des variations significatives de conductivité thermique entre les différents composites testés. Par exemple, les échantillons Verre-Epoxy communément appelés GFRP démontrent une conductivité moyenne inférieure à celle des autres composites examinés à base de Carbone-Epoxy (CFRP). Les résultats indiquent également que les méthodes longitudinales présentent moins de dispersion comparées aux méthodes transversales.
Les variations observées suggèrent une hétérogénéité intrinsèque des matériaux composites, influençant leurs propriétés thermiques. Bien que des dispersions soient présentes, les méthodologies adoptées ont permis de minimiser leur impact sur la précision globale des mesures.
Conclusion et perspectives :
Cette étude met en évidence l’efficacité des dispositifs expérimentaux et méthodologies employées pour caractériser les propriétés thermiques des composites d’Airbus. Les résultats obtenus donnent des indications précieuses pour optimiser l’utilisation de ces matériaux dans des applications nécessitant une gestion thermique précise.
Les perspectives de cette recherche incluent l’exploration de nouvelles configurations de mesure ainsi que l’étude d’autres types de composites pour étendre l’application des techniques développées lors de cette étude.
L’acquisition par THEMACS Ingénierie d’un système permettant de descendre en froid jusqu’à 10K Permet d’envisager des application dans le domaine du stockage de l’hydrogène liquide.
En résumé, cette étude des propriétés thermiques des matériaux offre une base solide pour de futures investigations et améliorations dans le domaine de l’aérospatiale, le stockage de l’hydrogène et l’aéronautique, favorisant une meilleure performance et sécurité des matériaux utilisés.