Etude de l’émissivité des solides et liquides des températures cryogéniques aux très hautes températures

Study on the emissivity of solid and liquid materials from cryogenic temperature to very high temperature

• Auteur / Autrice : Xingkai Wang
• Direction : Philippe Hervé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés
• Date : Soutenance le 12/11/2015
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Connaissance, langage et modélisation (Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Danièle Wagner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Hervé, Danièle Wagner, Hassen Beji, Simone Matteï, Fouad El Ammouri, Thierry Langlet, Vincent Pina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hassen Beji, Simone Matteï

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liquides

Solides

Hautes températures

Basses températures

Mots clés libres

Émissivité

Température cryogénique

Haute température

Changement de phase

Point X

Emissivity

Cryogenic temperature

High temperature

Phases transition

X point

Résumé

L’échange d’énergie par rayonnement est proportionnel à l’émissivité. Ce facteur dépend de la température et de la longueur d’onde mais aussi de l’état de surface, de la composition et de la phase. Sa mesure précise est donc toujours un défi à cause des influences connues ou inconnues. Par rapport à d’autres travaux, le but de ce travail est de l’étudier dans des conditions extrêmes, des températures cryogéniques aux hautes températures : Nous avons ainsi étudié à 80K l’absorption d’un diélectrique pour la protection thermique d’un satellite et celles de surfaces en or de différentes rugosités. A la température ambiante nous avons déterminé par une méthode en réflexion, l’émission de vitrages dans le but de la recherche d‘économie d’énergie. Nous avons aussi étudié la variation de l’émissivité pendant le changement de phase solidus-liquidus et α-β de second ordre. Autour de 100°C le soufre devient plus émissif lorsqu’il passe du solide au liquide mais par contre il n’y a pas de différence sur l’émissivité pour ses deux variétés allotropiques principales. A une beaucoup plus haute température, le silicium liquide se comporte comme un métal avec une émissivité très faible et un saut net a été constaté à son passage au point de fusion. Une variation marquée de l’émissivité pour les deux phases solides du SiC a été observée entre 8-11μm dans notre étude. Contrairement aux résultats de la littérature, les sommets d’émissivité diminuent progressivement avec l’augmentation de la température. Enfin trois points X, longueur d’onde où l’émissivité ne dépend pas de la température, ont été observés pour chaque phase.

Heat transferred by radiation is proportional to the emissivity. This coefficient depends not only on the wavelength and the temperature, but also on the surfaceroughness, the chemical composition and the phase. A precise measurement is always a challenge because of the known and unknown factors. Compared with others, this thesis aims at the studies in extreme conditions, from cryogenic temperature to very high temperature: The absorptivity of a dielectric applied to the thermal protector for the satellite and the emissivity of gold surfaces with different roughness have been measured at 80K. The emissivity of different windows has been determined by the reflection method at room temperature for the research of energy saving. We have also studied the variation of the emissivity during the solid to liquid and α-β phase transition. The sulfur becomes more emissive when it changes from solid to liquid around 100°C, but there is no difference on the emissivity between its two major allotropies. The liquid silicon behaves like a metal with a very low emissivity and an obvious bound has been measured when it crosses its melting point. A marked variation of the emissivity of SiC for its two solid-state phases has been observed between 8-11μm. Contrary to other results, the peak values of the emissivity attenuate with the increase of temperature. Finally, three X points at which the emissivity doesn’t depend on the temperature have been measured for each phase.