Etude de composites hautement chargés de poudres magnétocaloriques et imprimés pour la réfrigération

Study of highly powder filled magnetocaloric composites and printed for refrigeration

• Auteur / Autrice : Kouassi N'Dri
• Direction : Thierry Barrière, Laurent Hirsinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 13/03/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences 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) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Charmeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Gilbin, Marie-France Lacrampe, Patrick Rozycki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abel Cherouat, Mohamed Sahli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Impression 3D

Rhéologie

Prototypage rapide

Composites

Mots clés libres

Propriétés magnétocaloriques

Propriétés mécaniques

Composites

Additive manufacturing

Magnetocaloric properties

Rheology

3D printed

Mechanical properties

Résumé

La fabrication additive est une alternative dans le domaine de la mise en forme des matériaux magnétocalorique. En effet, les procédés de fabrication classiques présentent des limitations matérielles (outillages onéreux) et géométriques (formes standards). La fabrication de composites à base de liants thermoplastiques et de poudres magnétocaloriques conduit par un procédé innovant d’extrusion a été étudiée de manière approfondie. Pour mener à bien cette recherche, une attention particulière est accordée à l'homogénéité des composites et à la non-dégradation des propriétés magnétocaloriques durant le processus de fabrication. Les matériaux ont été étudiés en terme de formulation de matériaux, de propriétés thermo-physiques, rhéologique, magnétocalorique et mécanique. La caractérisation rhéologique est axée sur l’exploitation des lois de comportement inélastique et l’identification des paramètres associés. Les influences de la température, du taux de cisaillement et du taux de charge en poudre sur les matériaux élaborés ont été analysées. Les effets de la température, de la vitesse d'impression sur la topologie et des propriétés physiques ont été étudiés. Des méthodes itératives ont été appliquées pour optimiser le processus de mise en forme (décrit à la figure I). La caractérisation de composites imprimés révèle des propriétés structurales et magnétocalorique favorables, telles qu'une faible porosité (~6%, mesurée par tomographie), une faible rugosité Sa (~10 µm), et un effet magnétocalorique intéressante (9,3 Jkg-1-K-1). Ce pendant la tenue mécanique reste à améliorer.

Additive manufacturing is an alternative in the field of magnetocaloric material shaping. Indeed, conventional manufacturing processes have material (expensive tools) and geometric (standard shapes) limitations. The fabrication of composites based on thermoplastic binders and magnetocaloric powders conducted by an innovative extrusion process has been studied in depth. To carry out this research, particular attention is paid to the homogeneity of the composites and the non-degradation of the magnetocaloric properties during the manufacturing process. The materials have been studied in terms of material formulation, thermo-physical, rheological, magnetocaloric and mechanical properties. The rheological characterization is focused on the exploitation of inelastic behavior laws and the identification of associated parameters. The influences of temperature, shear rate and powder loading rate on the developed materials were analyzed. The effects of temperature, printing rate on the topology and physical properties were studied. Iterative methods were applied to optimize the forming process (described in Figure I). Characterization of printed composites reveals favorable structural and magnetocaloric properties, such as low porosity (~6%, measured by tomography), low roughness Sa (~10 µm), and interesting magnetocaloric effect (9.3 Jkg-1-K-1). The mechanical strength of the material remains to be improved.