Mise au point de dispositifs de caracterisation thermophysique de materiaux isolants solides ou pateux - extensions aux fluides cisailles

Abstract

We develop a new simple device based on existing methods to estimate thermophysical properties of insulating materials. We determine the thermal conductivity and the volumic heat of a sample. The classical probe offers all the advantages of a sensor. In a compact device, we have a no intrusive instrument, which can by calibration determine many properties of a material (moisture, density, etc). The new device proposed here tries to combine all the advantages of the previous methods. The main idea is to control the heat flux diffusion inside the insulating sample by addition of a highly conductive metal support. The conducting layer is then a simple technological means to impose boundary conditions. No regulated heat sink and flux meter is then needed. The thermal excitation is applied with a heating disc or ribbon. A development of this kind of device is considered for the thermal characterization of a fluid layer sheared (in Couette flow) by a brass cylindrical block in rotation. It is not necessary to instrument the moving parts on the experimental device. The modeling developed using an extension of the quadripole formalism, takes account of the twodimensional conductive transfer in the sample, and the semi-infinite medium. The comparison of the more or less simplified models, and the study of sensitivity, proves it is possible to estimate 3 parameters : the inertia of the probe (estimated on a material of reference), the volumic heat of the sample, and the thermal conductivity of the sample. An experimental study on materials of reference validate our methods and some examples of applications are presentedNous developpons, a partir de methodes existantes (fil chaud, plan chaud,), des nouvelles techniques de mesure de proprietes thermophysiques adaptees aux materiaux super isolants. Il s'agit de determiner la conductivite thermique et la chaleur volumique de l'echantillon. La sonde a choc thermique offre tous les avantages d'un capteur. En un dispositif compact, on realise un instrument peu intrusif, qui peut, par etalonnage, permettre de remonter a de nombreuses proprietes d'un materiau (humidite, densite etc). Nous associons une couche tres isolante a une couche conductrice semi-infinie afin de concevoir un instrument de mesure de conductivite thermique de super-isolant d'epaisseur finie. La couche conductrice est alors un moyen technologique simple pour imposer des conditions limites. L'excitation thermique est appliquee avec un ruban ou une pastille chauffante. Un developpement de ce type de dispositif est envisage pour la caracterisation d'une couche fluide cisaillee (en ecoulement de couette) par un bloc de laiton cylindrique en rotation. L'interet, sur le plan experimental, est ici de ne pas avoir a instrumenter les parties en mouvement. La modelisation, developpee a l'aide d'une extension du formalisme des quadripoles thermiques, tient compte du transfert conductif bidimensionnel dans l'echantillon, et le milieu semi-infini. La comparaison des modeles plus ou moins simplifies, ainsi que l'etude de sensibilite permettent de choisir le jeu de 3 parametres pertinents identifiables : l'inertie de la sonde (estimee sur un materiau de reference), la chaleur volumique de l'echantillon, et la conductivite thermique de l'echantillon. Une etude experimentale sur des materiaux de reference permet de valider nos methodes et quelques exemples d'applications sont presentes