Thermal Analysis
Exploitation TMA
L’analyse thermomécanique (TMA)
consiste à mesurer les variations
de dimension d’un échantillon,
sous une contrainte négligeable
(mode dilatométrie), en fonction de la température ou du temps. Il est également possible
de mesurer la déformation d’un échantillon sous une charge donnée. Selon la nature
de l’échantillon et le programme de mesure choisi, la courbe permet d’obtenir diverses
informations servant à caractériser une substance.
Cette option est accompagnée des exploitations spécifiques TMA suivantes:
• Transition vitreuse: point d’intersection des tangentes à la courbe de dilatation avant
et après l’effet, ou à la courbe TMA avant et après le début de déformation (température
de ramollissement).
• Coefficient de dilatation linéaire: valeur locale, tableau et graphique.
• Coefficient de dilatation linéaire: valeur a moyenne, tableau et graphique.
• Taux: rapport de la variation de longueur partielle à la variation de longueur totale
dans un intervalle de température ou de temps donné, par exemple lors de la décomposition thermique d’un revêtement de surface.
Théorie
Une courbe TMA typique d’une résine époxy renforcée de fibre de verre montre les principaux effets. En plus de la transition vitreuse, déterminée par le point d’intersection
des tangentes, il est intéressant de calculer le coefficient de dilatation. On distingue entre:
Coefficient de dilatation local =
dL 1 dL 1
· =
·
dT L o dt ·L o
Coefficient de dilatation moyen =
∆L 1
·
∆T L o
Lo =
dL =
dT =
dt =
∆L =
∆T =
=
longueur initiale
variation infinitésimale de la longueur
variation infinitésimale de la température
variation infinitésimale du temps
variation de longueur de l’échantillon
variation de température
vitesse de chauffe de l’échantillon
1 = dilatation linéaire
2 = transition vitreuse
(changement du coefficient de dilatation)
3 = ramollissement, pénétration
4 = dégazage, délaminage
5 = déformation plastique
Thermal Analysis
Exemples d’applications
Coefficient de dilatation d’une matière plastique renforcée de fibre de verre
La dilatation est une caractéristique importante pour les matériaux composites car elle définit leur domaine d’emploi.
Le diagramme montre la courbe de dilatation d’une plaquette
de résine époxy renforcée de fibre de verre obtenue à une vitesse
de chauffe de 10 K / min. L’échantillon est étudié une fois dans
le sens d’orientation des fibres (direction x) et une fois dans
la direction perpendiculaire (direction z). A partir de ces courbes,
corrigées par la courbe à blanc, sont calculés les coefficients de
dilatation locaux à 75 et 95°C. De plus, le coefficient de dilatation
moyen, entre 60 et 90 °C et pour la direction z, est représenté
graphiquement et par un tableau. Comme il fallait s’y attendre, le
coefficient de dilatation dans le sens d’orientation des fibres
est très inférieur à celui observé dans le sens perpendiculaire.
Il apparaît également que la détection de la transition vitreuse
n’est possible que dans le sens perpendiculaire aux fibres.
Courbe TMA d’un fil de cuivre recouvert d’une laque isolante
La stabilité thermique et mécanique des isolations de fils de cuivre est un critère de qualité important pour les bobines
réalisées à partir de ces fils. Le diagramme montre les courbes
de mesure de deux fils de cuivre (A et B), isolés par des laques
différentes. Le comportement général est le même à savoir,
ramollissement de l’isolation illustré par le premier palier vers
150 °C, puis décomposition thermique matérialisée par le
second palier. Le taux de transformation peut être calculé et
représenté graphiquement et par un tableau. Pour l’échantillon A
les deux effets sont décalés vers les températures supérieures
montrant la meilleure stabilité thermique de cette laque.
L’épaisseur de la couche de laque peut également être déterminée et correspond au palier global divisé par deux.
Comportement thermoélastique d’un caoutchouc
L’analyse DLTMA (TMA sous contrainte dynamique) permet d’étudier
le comportement élastique de matériaux tels que le caoutchouc.
Au cours du chauffage la force d’appui du capteur de mesure
varie périodiquement toutes les 6 s entre 0,1 et 0,5 N. L’exploitation
de la courbe de mesure à l’aide des courbes enveloppes donne
à la fois la dilatation (expansion), correspondant à la moyenne
entre les courbes enveloppes, et une valeur inversement proportionnelle au module d’élasticité, correspondant à la différence
entre les courbes enveloppes. De plus, le point d’intersection
des tangentes à la courbe de dilatation donne la température de
la transition vitreuse du caoutchouc qui est ici de –37°C.
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