Elaboration et caractérisation thermo-physique de micro-composants fonctionnels à base de poudres magnétocaloriques

Elaboration and thermo-physical characterization of functional micro components based on magnetocaloric powders

• Auteur / Autrice : Julien Lanzarini
• Direction : Thierry Barrière, Jean-Claude Gelin, Mohamed Sahli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 05/04/2016
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Charmeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Barrière, Jean-Claude Gelin, Mohamed Sahli, Jean-Yves Charmeau, Abel Cherouat, Chantal Khan Malek, Maria Teresa Freire Vieira, Michel Pierronnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abel Cherouat, Chantal Khan Malek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déshydrogénation

Composites

Thermoplastiques

Effet magnétocalorique

Mots clés libres

Thermoplastique

Composite

Poudres magnétocaloriques

Déshydrogénation

Température de Curie

Propriétés magnétocaloriques

Extrusion-conformage

Thermoplastic

Magnetocaloric powders

Composite

Dehydrogenation

Curie temperature

Magnetocaloric properties

Extrusion process

Résumé

Les travaux de cette thèse proposent le développement d’un procédé de fabrication de composants micro-structurés à base d’unmatériau magnétocalorique. A plus long terme, ces composants de type lame mince seront intégrés à des dispositifs deréfrigération magnétique. Leur réalisation par les procédés conventionnels tels que l’usinage n’est pas envisageable dansl’optique d’une industrialisation. La solution envisagée est basée sur la mise en forme de composants par réplication d’uncomposite magnétocalorique. Ce micro-composite est défini par le mélange des poudres magnétocaloriques hydrogénées detype La(Fe,Si)13 dans une matrice thermoplastique (PP, LDPE). Cette technique permet de bénéficier des avantages desprocédés de mise en forme des polymères comme l’extrusion ou le moulage par injection. Le développement d’un tel procédéest divisé en deux parties. La première partie concerne l’élaboration et la caractérisation du micro-compositemagnétocalorique. Les tests réalisés en mélangeur ont permis de proposer plusieurs formulations micro-compositesmagnétocaloriques selon différents taux de charge. Cette première partie du développement étudie les différents aspects dumatériau micro-composite comme la rhéologie et les propriétés magnétocaloriques des mélanges. La caractérisationrhéologique basée sur les tests au rhéomètre capillaire est réalisé afin d’évaluer la capacité de mise en forme des mélangesassociée au procédé d’extrusion-conformage. Les propriétés propres aux matériaux magnétocaloriques telles que la variationde température adiabatique (ΔT) et la température de Curie (Tc) sont investiguées. Le contrôle de la Tc par mesure DSC a misen évidence des problématiques de déshydrogénation des poudres liées à la température d’élaboration. L’impact du taux decharge en poudre est étudié par la mesure des ΔT permettant d’estimer les performances finales du micro-composite. Ladeuxième partie traite du développement du procédé de mise en forme par extrusion-conformage. Une ligne d’outillages dédiéeà l’extrusion-conformage des lames micro-structurées a été réalisée et validée à l’échelle du laboratoire. La stabilité de latempérature de Curie a été vérifiée tout au long du processus d’élaboration des composants micro-structurés. Les paramètresd’extrusion tels que la température d’extrusion ont pu être définis afin d’éviter la déshydrogénation des poudresmagnétocaloriques. Les composants extrudés sont caractérisés en termes d’homogénéité du taux de charge en poudre et detolérances géométriques aboutissant à la

This thesis proposes the development of a method of manufacturing micro-structured components made of a magnetocaloricmaterial. In the long term, these blade-type components will be integrated in magnetic refrigeration devices. On an industrialscale, their production by the conventional process, machining, is not possible. The solution proposed is based on shaping thecomponent by a replication process via a magnetocaloric composite material. This micro-composite is defined by the mixtureof hydrogenated magnetocaloric powders of La(Fe,Si)13 in a thermoplastic matrix (PP, LDPE). This technique allowsutilization of the polymer shaping process, extrusion. The development of this process is divided into two parts. The first partconcerns the development and characterization of the magnetocaloric micro-composite. Results from tests performed with themixer allow the proposal of several micro-composite formulations under different loading rates. These formulations are thenstudied for various aspects of micro-composite material. The rheological characterization based on capillary rheometer tests istaken to evaluate the shaping ability of the mixtures associated with the extrusion process. Specific properties ofmagnetocaloric materials such as the adiabatic temperature variation (ΔT) and the Curie temperature (Tc) are also investigated.The control of the Tc by DSC measurement highlighted problematic dehydrogenation of the powders as a result of theelaboration temperature. The impact of loading rate is studied by measuring the ΔT in order to estimate the final performanceof the micro-composite. The second part deals with the development of the shaping process by extrusion. A tooling linededicated to extrusion of the micro-structured blades is carried out and validated at the laboratory scale. The stability of Tc ischecked throughout the elaboration process of the micro-structured components. The extrusion parameters are defined to avoidthe dehydrogenation of magnetocaloric powders. The extruded components are characterized in terms of homogeneity of thepowder loading rate and geometric tolerances resulting in the validation of the developed process. The industrial transfer isnow possible to a large scale production.