Mesure de la capacité thermique massique des métaux liquides par lévitation aérodynamique

Les propriétés thermophysiques des métaux liquides constituent un champ d’intérêt croissant pour la modélisation de nombreux procédés industriels. La capacité thermique massique est un paramètre important des transferts de chaleur, et très peu de données sont disponibles dans la littérature, en particulier au-delà de la température de fusion. En raison des difficultés dues à la phase liquide et aux hautes températures impliquées, des méthodes de caractérisation sans contact, comme la lévitation aérodynamique (ADL), sont développées. L’ADL permet d’atteindre de hautes températures (1 800 K - 3 300 K), d’éviter la contamination de l’échantillon et d’étudier tout type de matériau (diélectrique comme conducteur). Le chauffage par laser est en outre indépendant de la méthode de lévitation. Dans ce travail, un dispositif ADL est utilisé pour mesurer la capacité thermique massique de métaux liquides. La lévitation est assurée par un flux d'argon sous l'échantillon et un laser à fibre ytterbium est utilisé pour le chauffage. La modulation du laser permet de chauffer rapidement l'échantillon jusqu’à différents plateaux de température. La température est mesurée à l'aide d'un pyromètre trichromatique infrarouge maison tout au long de l’essai, incluant les phases de chauffage, de maintien en température et de refroidissement libre. L'idée principale de cette nouvelle méthode est de comparer deux phases de l'expérience à la même température : un plateau de température et le refroidissement correspondant. Comme ces deux phases sont à la même température, les pertes de chaleur (par convection et rayonnement) sont égales et peuvent être déterminées grâce au plateau. Cependant, cette méthode nécessite une connaissance précise de la puissance absorbée par l'échantillon. Pour résoudre ce problème, un pyromètre trichromatique dédié a été développé afin de mesurer à la fois la température et l'absorptivité (en supposant la loi de Kirchhoff) à la longueur d'onde du laser (1 070 nm). L’absorptivité est ainsi considérée dépendante de la température. Par ailleurs, la puissance laser est mesurée le long du trajet optique à chaque expérience afin d’obtenir la valeur exacte délivrée à l’échantillon. Une fois la puissance absorbée connue au plateau, la détermination des pertes convecto-radiatives devient possible. Ensuite, à partir de l’équation de la chaleur appliquée au refroidissement, la capacité thermique est déterminée. Connaissant le poids de l'échantillon, la capacité thermique massique est obtenue pour chaque valeur de température atteinte lors d’un plateau. La capacité thermique massique et l’émissivité à 1 070 nm de trois métaux liquides (fer, nickel, zirconium) ont été déterminées sur la plage de température 1 700 K - 2 400 K, comparées avec la littérature, et permettent de compléter des données très peu présentes au-delà de 2000K. Les avantages, limites et incertitudes de cette méthode sont discutés.

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