Identification de la conductivité thermique de matériaux polymères et composites en cours de transformation

Identification of the thermal conductivity of polymer and composite materials during their transformation

• Auteur / Autrice : Rita Moussallem
• Direction : Jean-Luc Bailleul, Jalal Faraj, Elissa El Rassy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique et combustion
• Date : Soutenance le 17/07/2024
• 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 : Rémy Benjamin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier De Almeida
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Luc Battaglia, Philippe Le Masson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Polymères thermoplastiques semi-cristallins

Caractérisation thermophysique

Méthode inverse

Semi-crystalline thermoplastic polymers

Thermophysical characterization

Inverse method

Résumé

La cristallisation des polymères thermoplastiques est un phénomène important pour les procédés de fabrication. Une estimation précise du comportement thermique du polymère durant son changement de phase exige une connaissance exacte des propriétés thermophysiques. Actuellement, ces propriétés sont facilement mesurables à l’état solide mais elles sont moins maîtrisées à l’état liquide et elles ne sont pas du tout maîtrisées en cours de transformation. C’est pour cette raison que la loi de mélange est utilisée pour modéliser l’évolution des propriétés thermophysiques en fonction du degré de transformation de la matière. Il est thermiquement correct de modéliser l’évolution de la capacité thermique volumique par une loi de mélange, mais ce n’est pas le cas pour la conductivité thermique, qui n’est pas une propriété extensive. L’objectif principal de cette thèse est d 'élaborer une méthode inverse dédiée à l’estimation de la variation de la conductivité thermique, en fonction de la température et de la cristallinité relative, sans imposer au préalable un profil d’évolution. Ainsi, le banc expérimental développé permet de mesurer l’évolution de la température dans la matière durant sa cristallisation. Un modèle numérique est associé au montage expérimental et un algorithme d’optimisation hybride combinant l’algorithme génétique avec la méthode du point-intérieur est adopté. Les évolutions de conductivité thermique issues de la méthode d’identification sont comparées avec la loi de mélange pour vérifier la fiabilité de cette dernière.

The crystallization of thermoplastic polymers is an important phenomenon in the manufacturing processes. A precise estimation of the thermal behavior of a polymer during its transformation requires the exact knowledge of its thermophysical properties. Nowadays, these properties are easily measurable in the solid states however they are less mastered in the liquid state and not mastered at all during transformation. Therefore, the mixing law is frequently used to model the evolution of the thermophysical properties function of the degree of transformation of the material. It is thermally correct to describe the variation of the volumetric heat capacity with the help of the mixing law, nevertheless this is not the case for the thermal conductivity, which is not an extensive property. The main objective of this thesis is to establish an inverse method dedicated for the identification of the thermal conductivity variation, function of temperature and relative crystallinity, without imposing beforehand an evolutionary profile. An experimental bench capable of measuring the temperature evolution within a polymer undergoing crystallization is developed. A numerical model is associated to the experimental setup and a hybrid optimization algorithm combining the genetic algorithm with the interior-point method is adopted. The obtained thermal conductivity evolutions are compared with the mixing law to evaluate its reliability of the latter.