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Dilatation thermique et densité
La dilatation thermique des matériaux peut entraîner des dommages commerciaux importants. Dans la construction, par exemple, des joints de dilatation doivent être prévus pour compenser les variations de longueur en cas de fluctuations de température. En outre, les coefficients de dilatation des matériaux en contact doivent être adaptés les uns aux autres. Si les coefficients de dilatation d’une pâte céramique et d’un émail sont trop différents, il se forme des fissures dites « en toile d’araignée », que l’on observe souvent sur les vieilles assiettes en porcelaine.
L’expansion a lieu dans toutes les directions de l’espace, de sorte que la densité change, puisque la masse reste constante. Dans le cas des matériaux anisotropes, l’expansion dépend de la direction, de sorte que la direction de l’expansion doit être spécifiée. Par conséquent, toutes les directions spatiales doivent être prises en compte pour déterminer la densité ou le coefficient d’expansion volumique.
Définition de la dilatation thermique
Le coefficient de dilatation thermique (CTE) est défini comme la variation relative de la longueur lors d’un changement de température d’un Kelvin :
α= ∆L/(L0 *∆T)
mit :
∆L : Changement de longueur [m]
L0 : Longueur de sortie [m]
∆T : Changement de température [K]
donnant des résultats en unités α de K-1 (« par Kelvin »). Il dépend de la température et varie donc, mais souvent dans une faible mesure, en fonction de la plage de température considérée. Sa magnitude est typiquement de 10-6 K-1 et est donc souvent indiquée en « ppm K-1 ».
Les matériaux à faible coefficient de dilatation sont, par exemple, le verre de quartz et le métal INVAR, qui ont un coefficient de dilatation inférieur à 1 ppm K-1. Les plus grands coefficients de dilatation sont ceux des polymères (jusqu’à environ 200 ppm K-1). Certains matériaux ont des expansions négatives, en fonction de la plage de température.
Transformations de phase
Les coefficients de dilatation des différentes phases d’un même matériau sont différents. Par exemple, les coefficients de dilatation des polymères au-dessus de la température de transition vitreuse sont plus élevés que ceux en dessous.
Un autre exemple connu est celui des transformations de phase du fer élémentaire: jusqu’à 90°C, la structure cristalline centrée sur l’espace cubique est stable(α-fer), de 906°C à 1401°C, elle a la densité la plus cubique(β-fer), et au-delà de 1539°C, elle revient à la structure cristalline centrée sur l’espace cubique(δ-fer). Étant donné que le remplissage de l’espace de l’empilement de densité le plus cubique (74 %) est plus important que celui de l’empilement cubique-centré (68 %), il y a des sauts de densité et donc de longueur dans les transformations de phase. Celles-ci sont utilisées pour détecter les transitions de phase dans les alliages de fer :
Mesure du coefficient d'expansion
La méthode de mesure à choisir dépend de l’état d’agrégation de l’échantillon, de l’importance du coefficient de dilatation de l’échantillon à mesurer et de la plage de température à considérer. Les propriétés mécaniques de l’échantillon doivent également être prises en compte dans la production d’échantillons appropriés et donc dans le choix de la méthode de mesure.
Liquides
La dilatation ou la densité des liquides est généralement déterminée à l’aide de pycnomètres.
Dans ce cas, un volume constant de l’échantillon est contrôlé par la température et la masse est déterminée.
Les liquides se dilatent généralement avec l’augmentation de la température. Une exception bien connue est l’eau, dont la densité est maximale à 4 °C (« anomalie de l’eau »).
En outre, la méthode dite de l ‘oscillation de flexion est utilisée.
Dans ce cas, la densité est calculée à partir de la mesure de la fréquence naturelle d’un oscillateur de flexion rempli du liquide à étudier.
Les liquides peuvent également être mesurés à l’aide de récipients appropriés sur un dilatomètre à poussoir.
Dans ce cas, veillez à ce qu’aucun gaz ne s’échappe du liquide ou que les gaz qui s’échappent quittent également le récipient, mais l’échantillon de liquide ne doit pas s’échapper.
Corps solide
Les solides sont généralement mesurés à l’aide de dilatomètres (à tige poussoir) ou d’analyseurs thermomécaniques (TMA).
Dans ce cas, l’échantillon est introduit dans un four et mis en contact avec lui à l’aide d’une tige de poussée.
La variation de longueur de l’échantillon est transmise par la tige de poussée à un capteur.
Selon le four utilisé, une plage de température de -263 à +2800°C peut être couverte.
En fonction de la plage de température, on utilise des tiges de poussée en verre de quartz, en oxyde d’aluminium ou en graphite. Les transformateurs différentiels (LVDT – transformateurs différentiels variables linéaires) et, depuis peu, les encodeurs optiques sont le plus souvent utilisés comme capteurs.
Si les échantillons sont difficiles à traiter, fragiles ou facilement déformables en raison de leurs propriétés, de sorte qu’ils ne résistent pas à la force de la tige de poussée en contact, dilatomètres optiques également appelés microscopes chauffants sont utilisés.
Ici, comme dans le cas du dilatomètre à barreau, l’échantillon est placé dans un four.
L’échantillon est observé à l’aide d’une caméra dont les images sont mesurées.
L’analyse des images permet d’observer non seulement la dilatation (ici aussi en 2 dimensions), mais aussi les changements de forme et la fusion, et de mesurer les angles de contact. angles de contact calculés.
Les échantillons en poudre sont mesurés dans des adaptateurs spéciaux.
Dans ce cas, veillez à ce que l’air enfermé puisse s’échapper, mais pas l’échantillon (comme pour la mesure des liquides).
Le degré de compaction (densité apparente, densité de vibration et densité de prélèvement) de l’échantillon doit également être observé : il ne doit pas être modifié par les conditions de mesure.
Les matériaux présentant des coefficients de dilatation particulièrement faibles sont mesurés à l’aide de méthodes interférométriques.
Dans ce cas, une lumière monochromatique est réfléchie par l’échantillon et mise en interférence avec un second faisceau (principe de l’interféromètre de Michelson).
La variation de longueur résulte de la longueur d’onde de la lumière utilisée et du nombre d’interférences.
Ces appareils de mesure sont également appelés dilatomètres laser.
