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Theses Year : 2004

Thermal and thermomechanical characterisation of carbon and ceramic fibers at very high temperature

Caractérisation thermique et thermomécanique de fibres de carbone et céramique à très haute température

Christophe Pradere

Abstract

The main objective of this work is the determination of thermal and thermomechanical properties of micrometric carbon and ceramic fibers at very high temperature (1000-3000 K). In order to realise such measurements on thin body and on a wide temperature range, our efforts are directed towards: thermal modelisation of the phenomena, development of steady data processing method, experimental optimisation and estimation of error sources. Moreover, a lot of characterisation was realised (often unpublished) in way to supply accurate knowledge on thermal and thermomechanical properties of carbon fibers. In the first part, relative to the determination of the thermomechanical properties of fibers, the difficulty came from the very low variation to measure (a few nanometers), on materials with a characteristic dimension of 10 mm. The method developed here allows both measurements: transverse coefficient of thermal expansion and Poisson ratio. In the second part, the specific heat at constant pressure by an analytical model was firs estimated and then the thermal diffusivity by a data processing method in way to calculate the thermal conductivity. In both cases, the difficulty due to the microscale of the material and the very high temperature have repercussions on the experimentation, the modelisation and the development of data processing methods.
Ce travail, motivé par un besoin industriel, a pour objectif de déterminer les propriétés thermiques et thermomécaniques de fibres micrométriques de carbone et céramique à très haute température (1000-3000 K). Afin de fournir des mesures à de telles échelles et sur une telle gamme de température, notre étude a porté sur: la modélisation des phénomènes, le développement de méthodes d'identification stables, l'optimisation expérimentale et la recherche d'erreurs. En plus de ce travail important de développement de méthodes de mesures, un effort particulier a consisté à réaliser un maximum de caractérisations susceptibles d'apporter une connaissance précise des propriétés thermiques et thermomécaniques (inconnues jusqu'à présent) des fibres de carbone. Dans la première partie, relative à la détermination des propriétés thermomécaniques des fibres, la difficulté peut se résumer à la mise en oeuvre de méthodes susceptibles de détecter avec précision, à très haute température, des variations de l'ordre de quelques nanomètres sur des matériaux dont la dimension caractéristique est d'environ 10 mm. La méthode développée permet de réaliser indifféremment des mesures du coefficient de dilatation transverse et du coefficient de Poisson. Dans la deuxième partie, on détermine d'une part la capacité thermique massique à pression constante à l'aide d'une méthode analytique et d'autre part la diffusivité thermique longitudinale par méthode inverse, ce qui nous permet d'estimer la conductivité thermique. Dans les deux cas, la difficulté liée aux échelles micrométriques et aux très hautes températures se répercute sur l'expérimentation, sur les modélisations et sur le développement de méthodes d'identifications.
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Dates and versions

pastel-00001547 , version 1 (16-01-2006)

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  • HAL Id : pastel-00001547 , version 1

Cite

Christophe Pradere. Thermal and thermomechanical characterisation of carbon and ceramic fibers at very high temperature. Engineering Sciences [physics]. Arts et Métiers ParisTech, 2004. English. ⟨NNT : 2004ENAM0021⟩. ⟨pastel-00001547⟩

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