Modélisation thermique d’un matériau composite semi-transparent soumis un laser de haute énergie
Florent Retailleau1, ⋆,
Vadim Allheily1, Lionel
Merlat1, Jean-François
Henry2, Jaona
Randrianalisoa2
⋆ : florent.retailleau@univ-pau.fr
1 Institut
franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL)
2 Institut de
Thermique, Mécanique et Matériaux (ITheMM)
Mots clés : transfert radiatif, transfert thermique,
modélisation, matériau composite, cinétique
Résumé :
A différentes étapes de la vie d’un matériau, on peut faire appel au
rayonnement laser comme système de chauffage (élaboration et/ou mise en
forme), outil de diagnostic (contrôle qualité), voire même comme arme de
destruction (applications militaires).
Dans le cas des composites semi-transparents constitués de fibres de
verre et de résine époxy, l’interaction avec un flux radiatif est un
processus complexe car une partie de l’énergie incidente est absorbée et
génère des sources volumiques de chaleur variables dans le matériau
tandis que l’autre partie est transmise et/ou réfléchie vers le milieu
environnant. Comprendre la propagation du rayonnement laser et plus
particulièrement déterminer le profil d’absorption du flux est donc
essentiel pour prédire son comportement thermique. Les propriétés
radiatives et thermiques de ce type de matériau composite sont thermo
dépendantes, ce qui complique d’autant le problème. Dans ce travail,
nous avons utilisé un modèle thermique pour prédire le champ de
température au sein d’un matériau composite fibre de verre/résine époxy
soumis à rayonnement laser de haute énergie en prenant en compte
l’évolution des propriétés radiatives et thermiques. Le modèle thermique
est basé sur la résolution de l’équation de la chaleur par la méthode
des éléments-finis (logiciel COMSOL Multiphysics). Le terme source de
l’équation de la chaleur est calculé à partir des profils
tridimensionnels d’absorption obtenus en résolvant l’équation de
transfert radiatif par une méthode de Monte Carlo. Les propriétés
radiatives utilisées ont été identifiées entre 20 et 450 °C. Les
propriétés thermiques, à savoir l’émissivité, la masse volumique, la
chaleur spécifique et la diffusivité thermique, ont été déterminées
entre 20 et 400 °C à partir de différents dispositifs expérimentaux
(DSC, ATG, méthode flash, spectrophotomètres, dilatomètre).
Afin de valider le modèle théorique, nous avons mis en place une
expérience pour mesurer les températures sur les deux faces d’un
échantillon plan soumis à de forts flux laser. Au cours de cette
expérience, l’échantillon est soumis à trois densités de flux
différentes, 75, 150 et 300 W/cm2
sur une zone circulaire de 20 mm de diamètre au centre de l’échantillon
pendant respectivement 10, 5 et 2.5 secondes. En raison de la différence
de vitesse de chauffe utilisée lors des caractérisations des propriétés
thermiques et radiatives et des tests en conditions réelles, la
cinétique de chauffe est un paramètre important qui ne peut être
négligé. Pour ce faire, nous avons utilisé la loi empirique d’Arrhenius
qui permet d’associer les propriétés du matériau à l’évolution du taux
de dégradation plutôt qu’à la température. Ainsi, elle réduit l’impact
de la cinétique de chauffe sur les propriétés thermiques et radiatives.
Le dispositif expérimental mis en place permet également de mesurer la
transmittance normale-normale de l’échantillon testé. Cette mesure
confirme l’impact de la cinétique de chauffe et donc l’intérêt
d’utiliser la loi d’Arrhenius. Les résultats théoriques et expérimentaux
sont cohérents pour les trois densités de puissance utilisées. Le modèle
obtient des résultats très proches des mesures pendant la première
partie du chauffage jusque 200 °C, en particulier pour la plus faible
vitesse de chauffe.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2022-036
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