Développements de méthodes microthermiques originales pour le défi de la mesure de la conductivité thermique radiale de fibres de carbone, de la résistance thermique de contact entre fibres et pour la détection de la corrosion

Development of original microscale methods for the challenge of measuring the radial thermal conductivity of carbon fibers, the thermal resistance of contact between fibers and for the detection of corrosion

• Auteur / Autrice : Rodrigo Olaya
• Direction : Bertrand Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 04/07/2023
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Najib Laraqi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laetitia Perez, Mohamed-Abdou Djouadi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nadjib Semmar, Abderrahim Boudenne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbone -- Composés

Composites

Essais de comportement au feu

Mots clés libres

Méthode 3ω

Fibre de carbone

Conductivité thermique radiale

Résistance thermique de contact

Suivi de la corrosion

3ω method

Carbon fiber

Radial thermal conductivity

Thermal contact resistance

Corrosion monitoring

Résumé

Les techniques de mesure à micro-échelle (typiquement de 10 nm à 1000 μm) permettent de mesurer localement des températures et des propriétés thermiques de matériaux hétérogènes ou nanostructurés. Elles ont des applications dans de nombreux domaines, notamment la nanotechnologie, la physique des matériaux et l'électronique. Parmi ces techniques de mesure, la méthode 3ω se distingue car permet des mesures précises et relativement simples à réaliser, est adaptée à des mesures sous vide et permet de réaliser des mesures sur une large gamme de température. Cette méthode est basée sur la mesure de la réponse thermique d'un échantillon soumis à un courant alternatif sinusoïdal de fréquence ω via une mesure de tension aux bornes de l’échantillon. Ce travail se concentre sur l'adaptation et l'application de la méthode 3ω à deux problématiques liées à la caractérisation thermique de matériaux composites renforcés par des fibres de carbone, notamment la conductivité thermique radiale des fibres de type PAN FT300B ainsi que la résistance thermique de contact entre deux fibres du même type croisées. Divers modèle thermiques analytiques et numériques sont développés et validés pour ces calculs. Des analyses de sensibilité basés sur ces modèles sont effectuées pour optimiser les conditions expérimentales et déterminer une plage de fréquence de travail appropriée. Des dispositifs expérimentaux ont été spatialement crées pour la mesures de la conductivité thermique radiale et la résistance thermique de contact. Finalement, les propriétés estimées sont en accord avec les quelques valeurs de la littérature. La dernière application traitée dans ce travail est liée au projet SYSCORR. Il s’agit sur la détection de début de la corrosion du béton armé. On évalue si la méthode 3ω peut détecter le début de la corrosion en suivant l'évolution de la conductivité thermique des matériaux métalliques dans un milieu salin et on la compare à une méthode électrique classique pour voir leur efficacité respective. Divers types échantillons « témoin » sous forme de fil et couche mince sont utilisées pour mesurer la tension V3ω et sa résistance électrique lorsque ceux-ci sont plongés dans un milieu salin et donc exposés à l’action des ions chlorures. La plupart des résultats obtenus dis que, a priori, il n’a aucun avantage de la méthode thermique sur la méthode électrique couramment utilisée.

Microscale measurement techniques (typically ranging from 10 nm to 1000 μm) enable the local measurement of temperatures and thermal properties of heterogeneous or nanostructured materials. These techniques find applications in many fields, including nanotechnology, materials physics, and electronics. Among these measurement techniques, the 3ω method stands out because it allows precise and relatively simple measurements, is suitable for vacuum measurements, and allows measurements over a wide temperature range. This method is based on the measurement of the thermal response of a sample subjected to a sinusoidal alternating current of frequency ω, through a measurement of the voltage across the sample. This work focuses on the adaptation and application of the 3ω method to two issues related to the thermal characterization of carbon fiberreinforced composite materials, namely the radial thermal conductivity of PAN FT300B fiber and the thermal contact resistance between two crossed fibers of the same type. Various analytical and numerical thermal models are developed and validated for these calculations. Sensitivity analyses based on these models are performed to optimize the experimental conditions and determine an appropriate frequency range of operation. Experimental devices are spatially designed for the measurement of radial thermal conductivity and thermal contact resistance. Finally, the estimated properties are in agreement with a few literature values. The last application addressed in this work is related to the SYSCORR project, which involves the detection of the onset of corrosion of reinforced concrete. We evaluate whether the 3ω method can detect the onset of corrosion by monitoring the evolution of the thermal conductivity of metallic materials in a saline environment and comparing it with a conventional electrical method to see their respective effectiveness. Various types of ''control'' samples in the form of wires and thin films are used to measure the 3ω voltage and electrical resistance when immersed in a saline environment and therefore exposed to the action of chloride ions. Most of the results obtained indicate that there is no advantage of the thermal method over the commonly used electrical method.