Conception et simulation d’un moyen de chauffage de matériaux diélectriques à très haute température (1500∘^{\circ}C-2000∘^{\circ}C) pour la caractérisation hyperfréquence in-situ.

Jesse Allens Touoyem Talla1^{1}, Baptiste Henriot2^{2}, Thierry Duvaut1^{1}, Olivier Tantot2^{2}, Nicolas Delhote2^{2}, Michaël Charles3^{3}, Jaona Randrianalisoa1,⋆^{1,\star}
⋆^{\star} : jaona.randrianalisoa@univ-reims.fr
1^{1} ITheMM/Université de Reims Champagne-Ardenne, Campus du Moulin de la Housse, Cedex 2, 51687, Reims
2^{2} Université de Limoges, Xlim, UMR 7252, F87000 Limoges
3^{3} CEA Le Ripault, Centre d’études du Ripault, 37260 Monts
Mots clés : rayonnement, hyperfréquence
Résumé :

La connaissance des propriétés diélectriques telles que la permittivité électrique, la tangente de perte des matériaux céramiques à haute température occupe une place prépondérante dans de nombreux domaines tels que l’aérospatial, l’énergie. Ce travail concerne la conception et la simulation d’un moyen de chauffage à très haute température (1500∘^{\circ}C à 2000∘^{\circ}C), adapté aux mesures hyperfréquences in-situ des matériaux diélectriques. La méthode choisie est un chauffage radiant à haute densité de flux dans les spectres visible et proche infrarouge. C’est un moyen de chauffage déporté qui permettrait de porter l’échantillon à la température souhaitée tout en mesurant ses propriétés diélectriques en utilisant une cavité résonante. Le moyen de chauffage est composé d’un système à 7 lampes à arc xénon dont chacune est munie d’un réflecteur ellipsoïdal. Les lampes arrangées judicieusement sur une sphère virtuelle de rayon 1500mm concentrent les flux lumineux sur toute la face avant de l’échantillon situé au centre de cette sphère, et à l’intérieur de la cavité. Cette dernière est munie d’une ouverture laissant entrer les flux lumineux. Un système de refroidissement par circulation d’eau froide dans des serpentins assure le refroidissement de la cavité à moins de 500∘^{\circ}C pendant les phases de caractérisation. Dans cette communication, nous présentons le design du moyen de chauffage, de la cavité résonnante ainsi que la simulation numérique de l’échauffement de l’échantillon et du comportement thermique de la cavité.

La configuration étudiée est composée : d’un échantillon de céramique d’alumine obtenue par frittage de poudre (de forme cylindrique d’épaisseur 5 mm et de diamètre 50 mm) ; d’une cavité semi-ouverte (de forme cylindrique et d’orientation verticale), en acier inoxydable avec un revêtement interne en or pour limiter l’échauffement radiatif. L’échantillon est positionné horizontalement dans cette cavité sur un guide sous coupure (un tube cylindrique creux résistant aux hautes températures, de diamètre et d’épaisseur d’environ 44mm et 2mm). Les lampes délivrent chacune une puissance électrique maximale de 6.5kW et les réflecteurs ellipsoïdaux ont une réflectivité d’environ 96%. Le flux lumineux du moyen de chauffe, d’axe optique vertical descendant, éclaire l’échantillon sur sa surface supérieure. L’échauffement de l’échantillon par flux radiatif concentré est modélisé par simulation directe Monte-Carlo, bien adaptée à la configuration géométrique. Le comportement thermique de l’échantillon et de la cavité en présence des flux lumineux de chauffe est étudié grâce à des simulations numériques de transferts couplés. Les calculs numériques ont été mis en œuvre avec le logiciel de calculs de dynamique des fluides ANSYS-Fluent R2022.

Les résultats des simulations montrent que le flux radiatif incident sur la face irradiée de l’échantillon est de 2.1 MW/. La température de l’échantillon est d’environ 1930∘^{\circ}C avec une non-uniformité de 10%. La température maximale des parois internes de la cavité avec le système de refroidissement est de 490∘^{\circ}C. On note également l’existence d’un mouvement ascendant d’air dû au contact avec la surface extrêmement chaude de l’échantillon avec une vitesse maximale de 0.6 m/s entrainant une différence de pression égale à 0.5 Pa.

Work In Progress