Etude de l’effet élastocalorique (eC) dans le Caoutchouc Naturel (NR) pour les systèmes de réfrigération solide

Study of the elastocaloric (eC) effect in Natural Rubber (NR) for solid state refrigeration systems

• Auteur / Autrice : Hiba Haissoune
• Direction : Jean-Marc Chenal, Gildas Coativy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 08/04/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA) - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité / LGEF - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Valérie Gaucher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Chenal, Gildas Coativy, Valérie Gaucher, Pierre-Antoine Albouy, Noëlle Billon, Jean-Benoît Le Cam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Antoine Albouy, Noëlle Billon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Thermoélasticité

Transfert de chaleur

Caoutchouc

Mots clés libres

Matériaux

Réfrigération

Echange thermique

Caoutchouc naturel

Elastomère

Effet élastocalorique

Cristallisation induite par la déformation

Elasticité

Thermographique

Cinétique de cristallisation

Waxs

Sollicitation cyclique

Sollicitation mécanique

Materials

Refrigeration system

Thermal exchanges

Natural rubber

Elastomer

Elastocaloric effect

Strain induced crystallization

Elasticity

Thermography

Kinetics of crystallisation

WAXS - Wide Angle X-Ray Scattering

Cyclic loading

Mechanical straining

Résumé

Le caoutchouc naturel (NR) est un matériau élastocalorique (eC) dont la température peut varier significativement sous l’effet d’une sollicitation mécanique dynamique à des élongations (λ) élevées. Son potentiel élastocalorique important et sa résistance à la fatigue en font un candidat idéal pour développer des systèmes de réfrigération solide. Deux phénomènes sont à l'origine de ses performances eC: l’orientation/désorientation des macromolécules et la cristallisation/fusion, induites par l’élongation/rétraction du matériau. Pour mieux comprendre les paramètres qui régissent cette réponse eC du NR, il était primordial d'étudier d’abord sa cinétique de cristallisation sous déformation (SIC) via des mesures thermiques, mécaniques et par WAXD in-situ. Le couplage de ces techniques a montré que la chaleur générée majoritairement par la cristallisation retarde sa propre cinétique. Ensuite, afin d’évaluer l’impact de cette SIC sur les réponses thermiques et mécaniques du NR dans des conditions proches de celles du fonctionnement d’un système eC, ce matériau a subi deux types de sollicitations cycliques (créneaux/triangulaires) à 4≤λ≤6. La principale différence entre ces dernières est qu’en créneau, la cristallisation a lieu majoritairement après la charge adiabatique tandis qu’en triangulaire, elle se fait pendant la déformation. Pour f≤0.01Hz, cette différence de comportement implique l’apparition d’une hystérèse mécanique trois fois plus importante en créneau qu’en triangulaire pour une même quantité de chaleur pouvant être échangée (Qtotale), réduisant ainsi l’efficacité eC du matériau. Pour 0.01Hz≤f≤0.5Hz, cette chaleur est certes plus faible en triangulaire, cependant, cette sollicitation reste plus avantageuse d’un point de vue énergétique grâce à ses faibles pertes mécaniques. Enfin, une comparaison des performances eC (Qtotale et coefficient de performance COP) de différents échantillons de polyisoprène sous déformation triangulaire montre que le NR non-réticulé et le Caoutchouc Synthétique sont moins performants d’un point de vue eC. Le premier, à cause de sa grande déformation rémanente et le deuxième, car son Qtotale est très faible. L’échantillon NR réticulé au soufre avec une densité de chaînes actives proche de 1.5x10-4mol/cm3 présente quant à lui l’effet eC le plus important (Qtotale≈11MJ/m3 et COP≈30).

Natural rubber (NR) is an elastocaloric (eC) material that displays a significant temperature variation under dynamic mechanical loading at high elongations (λ). Its high elastocaloric response and fatigue resistance make it an ideal candidate for the development of robust refrigeration systems. Two phenomena are responsible for its eC performance: orientation/disorientation of macromolecules and crystallization/melting, induced by loading/unloading. In order to better understand the parameters governing the eC response of NR, it was important to first study its crystallization kinetics under deformation (SIC) via thermal, mechanical, and WAXD in-situ measurements. The coupling of these techniques showed that the heat generated mainly by the crystallization delays its own kinetics. Then, in order to evaluate the impact of this SIC on the thermal and mechanical responses of NR under conditions close to those of an eC system, this material was subjected to two types of cyclic solicitations (rectangular/triangular) at 4≤λ≤6. The main difference between them is that under rectangular loading, crystallization occurs mainly after adiabatic elongation while in the triangular case, it occurs during deformation. For f≤0.01Hz, the mechanical hysteresis is three times higher under rectangular loading than under triangular one for the same amount of heat that can be exchanged (Qtotal), consequently the eC efficiency of the material is significantly reduced. For 0.01Hz≤f≤0.5Hz, this heat is certainly lowered under triangular conditions, however, this type of loading is still more advantageous due to its low mechanical losses. Finally, a comparison of the eC performance (Qtotal and coefficient of performance COP) of different polyisoprene samples under triangular deformation shows that synthetic rubber and non-crosslinked NR are less efficient from an eC point of view. The former because its Qtotal is very low and the latter because of its large plastic deformation. The sulfur-crosslinked NR sample, whose active chain density is close to 1.5x10-4mol/cm3, shows the highest eC effect (Qtotal≈11MJ/m3 and COP≈30).