Mesure de coefficients de dilatation thermique de solides – CLTE

Vous souhaitez mesurer la dilatation thermique de vos échantillons ? Le laboratoire Calnesis réalise ces mesures sur une large gamme de température.

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

La dilatation thermique a pour définition l’augmentation du volume d’un matériau soumis à une variation de température. Elle est aussi parfois appelée expansion thermique. Cette variation des dimensions de la matière est souvent imperceptible sur de petits échantillons car son amplitude reste faible. Néanmoins, elle peut être responsable d’accidents importants dans certaines circonstances.

A l’inverse, une diminution de la température d’un corps provoque souvent une contraction thermique

L’amplitude de la dilatation thermique des liquides comme l’eau par exemple est plus importante que celle des matériaux solides.

Qu’est ce qu’un coefficient de dilatation thermique ?

Le coefficient de dilatation thermique d’un matériau quantifie l’amplitude de sa dilatation lors de variations de sa température à pression constante. Il est aussi nommé CTE de l’anglais « Coefficient of Thermal Expansion », et noté α. Il peut être exprimé en volume ou dans une direction unique (αL).

Lorsqu’il est exprimé le long d’un axe spécifique, on parle de coefficient linéaire de dilatation thermique, ou CLTE.

Chez Calnesis, les CTE sont mesurés à des températures précises ou moyennés sur des gammes de températures en fonction du souhait de nos clients.
Mickaël Simond, Président et Directeur commercial, Calnesis

Quel est l’unité de mesure des coefficients de dilatation thermique ? 

Les coefficients de dilatation thermique sont des rapports de longueurs ou de volume (donc sans unité) divisés par une variation de température. Ainsi, ils sont exprimés en degrés °C-1 ou Kelvin K-1. L’ordre de grandeur des CLTE des matériaux solides est de quelque 10-6 °C-1.

Comment calculer la dilatation thermique ? 

La variation de longueur ou de volume d’un matériau induite par une variation de température se calcule grâce au coefficient de dilatation thermique CTE de ce matériau. Ainsi, il suffit de multiplier la longueur initiale ou le volume de départ du matériau par son CTE, et par le nombre de degrés d’augmentation ou de diminution de température subit.

Dilatation isotrope ou anisotrope de la matière

Certains matériaux présentent des coefficients de dilatation thermique égaux dans toutes les directions de l’espace. Ils sont alors dit isotrope, au moins du point de vue de leur dilatation thermique. 

D’autres échantillons présentent à l’inverse des coefficients différents dans certaines directions spécifiques. On parle alors de matériaux anisotropes. Ce comportement thermique peut s’expliquer de plusieurs manières : 

  • anisotropie de composition : matériaux multicouches, composites, etc.
  • anisotropie de fabrication : extrusion, étirage à froid, injection, etc. 
  • etc.

Pourquoi mesurer les coefficients de dilatation des matériaux ? 

Dans les cas de la mise en œuvre de solides de très grandes dimensions, la connaissance et la maîtrise des phénomènes de dilatation ou contraction est cruciale.

Les édifices comme les ponts, par exemple, se dilatent sous l’effet des variations de température. Ainsi, leur longueur peut varier de plusieurs dizaines de centimètres au cours de la journée. Pour éviter ces déformations, des joints de dilatation sont placés régulièrement entre des portions de tablier. On peut aussi citer l’exemple des rails de chemin de fer, où les problématiques de changements dimensionnels avec la température peuvent représenter un enjeu majeur.

La mesure des coefficients de dilatation des solides dans les 3 directions de l’espace est une approche utilisée pour vérifier leur comportement isotrope ou l’amplitude de leur anisotropie.
Florian Rodrigues, Chargé d’affaires R&D, Calnesis

Les matériaux et objets multi-matériaux sont souvent utilisés pour bénéficier de leur propriétés physiques et chimiques respectives. Leur conception doit prendre en compte une étude de dilatation thermique. En effet, si l’un des matériaux se dilate plus fort que les autres, cela peut conduire à des défauts structurels, voir à la rupture mécanique. 

Dans le bâtiment, les coefficients de dilatation thermique des matériaux comme le béton est à prendre en considération pour s’assurer de la solidité de la structure.

Certains matériaux cassent comme du verre lorsqu’ils sont chauffés ou refroidis brusquement. Ceci s’explique par la différence de dilatation thermique au sein du matériau lorsque la température n’est pas homogène. On parle alors de choc thermique. La dilatation plus ou moins importante des différentes zones du matériau crée des contraintes internes de traction et de compression importantes. Celles-ci peuvent alors provoquer la rupture des matériaux.

Quelques exemples de valeurs de coefficients de dilatation thermique

Les coefficients de dilatation thermique des métaux comme l’acier, l’inox, le cuivre ou l’aluminium sont loin d’être identiques.  Le tableau ci-dessous donne quelques exemples de coefficients de dilatation thermique de substances ou matériaux communs:

Diamant1.10-6 K-1
Alumine8.10-6 K-1
Acier12.10-6 K-1
Aluminium23.10-6 K-1
Polypropylène150.10-6 K-1
Exemples de valeur de coefficient d’expansion thermique CTE de matériaux
La dilatation thermique des matériaux peut être mesurée de -150°C à plus de 1000°C. Cette mesure permet d’accéder à la variation du coefficient d’expansion thermique en fonction de la température, mais aussi le cas échéant à la température de transition vitreuse des polymères.
Jean-Claude Neyt, Directeur et Responsable Laboratoire, Calnesis

Comment mesurer la dilatation thermique au laboratoire ?

L’analyse thermomécanique, aussi nommée TMA (de l’anglais Thermo-Mechanical Analysis), est une technique d’analyse thermique permettant de mesurer les coefficients de dilatation thermique de solides en fonction de la température. 

Comme les dilatomètres, le principe des appareils TMA est de mesurer des variations de longueur avec une grande précision tout en régulant précisément la température. L’analyse consiste à réaliser des isothermes et des rampes de chauffe et refroidissement. L’échantillon est souvent placé sous un flux de gaz inerte (hélium) pendant la mesure.

Plusieurs modes de maintien et de forces appliquées sont utilisables sur ce type d’appareils, mais seuls certains sont utilisables pour la mesure des coefficients d’expansion CTE. 

Modes de mesure TMA pour la dilatation thermique
  • Expansion : l’échantillon est placé sur support plan fixe. Une tige mobile vient appuyer sur la face opposée avec une force très faible. La variation de hauteur lors d’une rampe de température est mesurée. Elle permet de calculer la hauteur de l’échantillon dans ce sens sur toute la gamme explorée. 
  • Traction : l’échantillon est coincé entre deux mors. L’un est fixe alors que l’autre est libre de mouvement et exerce une faible traction constante sur l’échantillon. Le déplacement du mors mobile permet de calculer la variation de longueur de l’échantillon pendant les variations de température. 
  • Expansion volumique : la poudre ou les granulés sont placés dans un récipient dont le couvercle peut translater en hauteur pour exercer une faible pression verticale.
A gauche : Expansion
Au milieu : Traction
A droite : Expansion volumique

La TMA permet d’obtenir des thermogrammes d’expansion thermique. Le plus souvent, deux rampes de température sont réalisées. La première permet la relaxation thermique de l’échantillon, et la seconde permet la mesure de variations de longueur et le calcul des CTE. De tels thermogrammes permettent également de mettre en évidence d’autres phénomènes thermiques caractéristiques : transitions vitreuses, changement d’état, etc.


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