Mesure de conductivité thermique

Qu’est ce que la conductivité thermique d’un matériau ?

Définition de la conductivité thermique : c’est une grandeur physique qui quantifie la faculté d’un matériau à conduire plus ou moins la chaleur. Les coefficients de conductivité thermique sont souvent appelés « Lambda »  et notés λ.

Lorsque deux surfaces d’un objet présentent une différence de température, un flux de chaleur apparaît entre ces deux surfaces. Ce flux permet d’égaliser plus moins rapidement la température de ces dernières. La quantité de chaleur qui passe d’une face à l’autre par unité de temps dépend notamment de deux paramètres: de l’amplitude de la différence de température et de la distance en mètre entre les deux parois.

Un matériau sera considéré comme conducteur s’il a une conductivité thermique élevée. A l’inverse on appellera matériaux isolants des matériaux pour lesquels le λ faible.

Chez Calnesis, nous mesurons la conductivité thermique d’échantillons très variés : solides, pâtes, gels, liquides, etc. en provenance de clients de tous secteurs industriels.

Florian Rodrigues, Chargé d’affaires R&D, Calnesis

Quels paramètres influent sur le lambda d’un matériau ?

La conductivité thermique est une propriété physique qui ne varie que faiblement avec la température. 

A l’inverse, l’humidité a un impact fort sur le lambda. En effet, l’eau est un fluide qui conduit très bien la chaleur. On le ressent lorsqu’on porte des vêtements humides qui isolent beaucoup moins du froid!

Conductivité thermique: quelle unité ?

Son unité de mesure est le W/m/K. Il s’agit ainsi d’un flux de chaleur (en Watt) par unité de distance (en mètre), et par unité de température (différence en Kelvin).

A quoi et qui servent les valeurs de conductivité thermique ?

Les valeurs de conductivité thermique sont souvent utilisées pour comparer la capacité des  matériaux isolants à limiter la conduction de chaleur par transfert thermique. C’est notamment le cas dans le milieu de la construction et du bâtiment. Les performances des matériaux pour l’isolation des parois des bâtiment (murs, toits, vitrages) sont comparées en utilisant les valeurs de lambda dans la réglementation thermique. L’utilisation de matériaux plus isolants permet de limiter les déperditions de chaleur dans les bâtiments. Cela augmente par conséquent les économies d’énergie et améliore le confort intérieur.

La mousse polyuréthane a par exemple une conductivité thermique bien inférieur à celle  à celle du bois, mais comparable à celle de la laine de verre ou de la ouate de cellulose.

Dans d’autres domaines, dès qu’il y a transfert de chaleur, la conductivité thermique est un paramètre clé. On le retrouve ainsi utilisé dans toutes les modélisations thermiques, quelque soit le matériau ou l’application. Pour les liquides elle intervient notamment dans le design des échangeurs de chaleurs (cf article dédié).

Quelques exemples de valeurs

Le tableau ci-dessous donne quelques exemples de valeurs de lambda pour des matériaux de la vie quotidienne :

Comment se mesure la conductivité thermique ?

Il existe de nombreuses techniques utilisées pour mesurer la conductivité thermique. Nous réalisons le choix de la méthode en fonction de vos échantillons, de leur état physique, de la gamme de conductivité, et de la température d’intérêt.

Mickaël Simond, Président et Directeur commercial, Calnesis

Au laboratoire, il existe de nombreux types de conductimètres qui sont utilisés pour mesurer la conductivité thermique de vos échantillons. En voici quelques exemples.

Plaque chaude gardée

Le principe de la méthode de la plaque chaude gardée consiste à placer deux blocs de matériau à analyser identiques autour d’une plaque chaude isolée électriquement et capable d’émettre de la chaleur par effet joule entre les deux blocs.

La mesure est faite en régime permanent stationnaire en mesurant la température avec un ou plusieurs thermocouples au niveau de la garde. La température de mesure est régulée en plaçant deux plaques régulées à la température de mesure souhaitée autour des échantillons.

Barreau gardé

Il s’agit d’une simple adaptation d’appareillage de la méthode de la plaque chaude gardée dans laquelle les échantillons ne sont pas des plaques mais ont la forme d’un barreau. Une lecture de la température est réalisées via des capteurs à différentes hauteurs permettant d’évaluer le gradient de température et ainsi déterminer la conductivité thermique.

Méthode du fil chaud (THW)

La méthode du fil chaud nécessite un appareil spécifique fonctionnant en mode transitoire. Une sonde composé d’un fil conducteur est placée soit au sein de l’échantillon fluide (liquide, pâte, etc) ou entre deux plaques d’échantillon solides et plats. Un courant est imposé sur le fil pendant quelques instants (de l’ordre de la seconde), et échauffe ainsi l’échantillon. L’enregistrement de la température est fait en mesurant la résistance du fil au cours de la mesure. Ceci est réalisé via une mesure précise de tension appliquée. La variation de température en fonction du temps permet de remonter mathématiquement à la conductivité thermique mesurée.

Méthode fluxmétrique

La méthode fluxmétrique consiste en la détermination de la conductivité en plaçant un échantillon entre deux plaques régulées à des températures différentes. La plaque haute est a une température plus faible que la plaque du bas. Un essai fluxmétrique consiste à mesurer le flux de chaleur traversant l’échantillon afin de déterminer la conductivité thermique via la loi de Fourier. La méthode nécessite l’utilisation d’un échantillon de référence.

Méthode Hot Disk

La méthode Hot Disk repose sur l’utilisation d’une sonde spécifique placée entre deux plaques d’échantillon à analyser. Comme dans le cas du fil chaud et de la garde, un courant est imposé dans la zone centrale de la sonde comme source de chauffage entre les deux échantillons. La conductivité thermique de l’échantillon va alors dissiper plus ou moins rapidement cet échauffement.

Il s’agit d’une mesure en mode transitoire pendant laquelle l’élévation de température n’est pas mesurée par une sonde thermocouple, mais par la mesure d’une variation très fine de la résistance électrique du fil de chauffe, qui varie à cause de son échauffement ! Il s’agit d’une mesure très précise applicable sur presque tous les types d’échantillons.

Laser flash

Cette méthode ne permet pas de mesurer la conductivité thermique, mais la diffusivité thermique. Néanmoins, il est possible de calculer la conductivité thermique à partir de cette grandeur physique en connaissant la capacité thermique et la masse volumique de l’échantillon. L’approche est particulièrement adaptée aux éprouvettes de petites dimensions et aux géométries complexes pour lesquels les autres méthodes ne sont pas applicables. Un dispositif contenant une source laser vient échauffer pendant un court instant une des surfaces d’un l’échantillon. Une sonde mesure en continu la variation en régime transitoire de la température sur la face arrière de l’échantillon. Le traitement mathématique de l’échauffement à travers l’échantillon permet de remonter à la diffusivité thermique, et de calculer la conductivité thermique.

Comment s’y retrouver parmi toutes ces méthodes ?

De nombreuses normes associées à chacune de ces différentes méthodes existent et peuvent vous être proposées.

Le choix de la technique se fera en fonction l’état physique de vos échantillons . Les mesures sont en effet réalisables sur les liquides, pâtes, mousses, solides, poudres, métaux, etc. La gamme de conductivité attendue sera également prise en compte, tout comme bien entendu la température de mesure souhaitée. Le plus simple est alors de contacter les équipes de Calnesis qui vous orienteront vers la meilleure solution pour votre projet.