Mesure de la conductivité thermique de métaux par caméra infrarouge

Les méthodes transitoires du type HOTDISK ne sont pas adaptées aux échantillons fortement conducteurs de petite taille. En effet l’onde thermique pénètre trop rapidement dans le matériau. Nous avons donc développé une méthode originale consistant à mesurer le gradient de température le long d’un échantillon à l’aide d’une caméra thermique.

Dispositif de mesure

Le choix a été fait de faire des mesures en régime permanent en 1D c’est-à-dire d’exploiter l’équation de la chaleur sous la forme suivante :

Est le flux de chaleur en W.m-2
La conductivité thermique en W.m-1.K-1
T la température en K
x la direction de propagation du flux de chaleur.
Dans le cas d’un flux 1D on a :

On a donc :

Il faut créer un flux unidirectionnel. Cela est possible en plaçant l’échantillon entre deux plans isothermes de températures différentes.
Le problème de la mesure en régime stationnaire est les pertes thermiques.
Pour éviter cela on a placé l’échantillon entre une source chaude à la même température que la température ambiante et une plaque isotherme plus froide que la température ambiante.

Le dispositif est visible sur les figures 1 et 2. Une caméra thermique permet de mesurer le gradient de température le long de l’échantillon. Une résistance de puissance génère la puissance nécessaire à maintenir la température d’un côté de l’échantillon sensiblement autour de la température ambiante. Ainsi la résistance chauffante isolé par du polyuréthane expansé ne peut échanger de chaleur avec l’environnement. La résistance chauffante (A) est fixée sur une pièce en aluminium (B) de 10mm d’épaisseur afin d’homogénéiser la température de surface en contact avec l’échantillon (C). Celui-ci est posé sur une platine en aluminium (D) de 10mm d’épaisseur elle-même posée sur un module à effet Peltier (E) permettant de descendre la température de l’échantillon. Ce dernier est fixé sur un radiateur ventilé pour maintenir une température basse. Un système de pressage à ressort permet de maintenir l’ensemble. De la graisse thermique (graisse silicone chargée de poudre de céramique fortement conductrice) assure un bon contact thermique entre les différentes interfaces.

Pour les échantillons (en métal notamment) il a été nécessaire pour mesurer la température à l’aide une caméra thermique de peindre la zone de mesure avec une peinture d’émissivité connu et élevée. On a utilisé pour cela la peinture NEXTEL® velvet coating de 3M® d’émissivité directionnelle de 0.97.

Mesures

On mesure en régime permanent le gradient thermique sur l’échantillon en maintenant une puissance constante sur la partie chaude et en évacuant cette puissance avec un module à effet Peltier sur l’autre face de l’échantillon. Ensuite on calcule λ grâce à l’équation 3.

Exemple détaillé d’une mesure :

Un exemple de mesure est présenté ci-dessous. La mesure présentée est celle effectuée sur un cylindre d’aluminium. La figure 4 montre la mesure réalisée avec la caméra thermique

Figure 4 : mesure du gradient de température sur l’échantillon.

Conclusion :

A partir de la mesure du gradient et de la géométrie de l’échantillon et de la puissance injectée on peut remonter à la conductivité avec une incertitude bien inférieure à d’autres techniques