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Un dilatomètre est un appareil de mesure permettant d’enregistrer la dilatation thermique d’un échantillon de matériau.
Les coefficients de dilatation thermique (CTE = coefficient d’expansion thermique) sont calculés à partir des résultats des mesures.
Cette grandeur physique du matériau indique la variation relative de la longueur de l’échantillon en fonction d’un changement de température (unité de mesure [1 / K]).
Les valeurs du CTE dépendent de la température et se situent pour les substances solides dans la plage de quelques millionièmes par Kelvin.
Les variations de longueur absolues attendues des échantillons sont donc très faibles et afin d’obtenir des résultats fiables, il faut un appareil de mesure très précis.
Types de dilatomètres
Fonction du dilatomètre à tige de poussée
La nature de l’échantillon et la plage de température à étudier déterminent les exigences auxquelles le porte-échantillon doit répondre.
Pour les substances solides qui ne subissent pas de fusion dans la plage de température de mesure, un dilatomètre à piston poussoir convient très bien.
Le comportement des matériaux chauffés jusqu’au point de ramollissement ou de fusion peut être déterminé optiquement à l’aide d’un dilatomètre optique ou d’un microscope chauffant.
Un autre dispositif expérimental repose sur l’utilisation de jauges de contrainte collées sur toute la surface de l’échantillon et évaluées à l’aide d’un pont de mesure de la résistance.
Le dilatomètre à poussoir se compose d’un four (à droite sur l’image), du porte-échantillon (au centre de l’image) et du capteur de déplacement (capteur LVDT à gauche sur l’image).
L’échantillon est placé dans un tube en silice fondue ou en céramique (échantillon en rouge sur l’image).
Il est fcontacte direct avec une tige (piston en jaune, devant l’échantillon rouge), qui transmet le changement de longueur au capteur de déplacement.
La variation totale de la longueur de l’ensemble du système de mesure est alors déterminée et convertie en valeurs CTE du matériau à l’aide de l’expansion connue du porte-échantillon et de la longueur de l’échantillon.
Le four permet de réaliser toutes les courbes de température avec différentes vitesses de chauffage et de refroidissement ainsi que des paliers.
En conséquence, la variation de longueur de l’échantillon est déterminée en fonction de la température.
Applications du dilatomètre à tige poussée
Les principaux domaines d’application du dilatomètre sont la recherche fondamentale en science des matériaux et l’assurance qualité. Il permet surtout d’enregistrer le coefficient de dilatation thermique, les températures des transitions de phase et les températures de frittage.
Coefficient de dilatation thermique
Le coefficient de dilatation thermique est un paramètre important pour le développement des composites.
Par exemple, le béton armé ne peut être utilisé dans la construction parce que l’acier et le béton ont la même valeur de coefficient d’expansion thermique.
Les différences de température dans les matériaux entraînent des contraintes mécaniques.
Les zones à haute température se dilatent davantage que les zones plus froides.
Il est possible d’éviter ou de réduire ces contraintes en développant et en utilisant des matériaux ayant un coefficient d’expansion très faible.
Transitions de phase
Les propriétés macroscopiques des solides cristallins dépendent directement de la structure cristalline elle-même.
Cependant, la plupart des matériaux peuvent être présents sous plusieurs modifications et présentent donc, outre la température de fusion et d’évaporation, des transitions de phase qui dépendent de la pression et de la température, au cours desquelles l’état solide ne change pas.
Cependant, la transition de phase d’une phase cristalline à une autre, ainsi que le processus de cristallisation lui-même, sont souvent clairement visibles dans la courbe du coefficient d’expansion en fonction de la température, et peuvent donc être très bien représentés par la mesure au dilatomètre.
Même les transitions de phase rapides ou celles qui nécessitent une pression de contact définie, comme la conversion de la martensite, de la ferrite ou de l’austénite dans les aciers, peuvent être détectées à l’aide du dilatomètre modifié en conséquence.
Températures de frittage
Le frittage d’un corps vert préformé d’une poudre céramique ou métallique consiste dans une cuisson à des températures et des pressions précises.
Dans la pratique, ce processus est connu, par exemple, dans l’industrie de la porcelaine.
Le mélange poudreux de kaolin (argile blanche), de feldspath et de quartz est fritté au cours du processus de cuisson et devient ainsi plus robuste.
