Etat de l'art sur l'estimation de propriétés sur bres

Il existe deux grandes familles de méthodes permettant de déterminer la diusivité thermique de bres :

 les méthodes par contact ;  les méthodes sans contact.

Méthodes par contact

Ces méthodes consistent en l'installation d'un ou plusieurs thermocouples sur une bre soumise à une sollicitation quelconque (thermique ou électrique). Ces méthodes ont été développées sur une large gamme de températures, allant de 5 à 800K. Pour les très basses températures, allant de 5K à l'ambiante, l'utilisation d'un potentiomètre thermique permet de déduire via la loi de Fourier la conductivité thermique de la bre [PNH+_84]

[IN90]. Ces méthodes sont applicables à toute nature de bres (isolants et conducteurs électriques), mais elles restent peu sensibles lorsque la conductivité thermique de celles-ci est faible [ZFF00]. Pour les températures plus élevées, allant jusqu'à 800K, les méthodes par calorimétrie de type AC seront préférées [Kaw89] [YKTH96] [YKTH00]. Ces mé- thodes consistent en la mesure par thermocouple de la réponse en température modulée induite par un faisceau d'énergie (type lampe halogène ou laser) sur la bre. La propriété thermique est ensuite estimée par la résolution de l'équation de la chaleur monodimen- sionnelle.

Même si ces méthodes semblent pratiques et faciles à mettre en oeuvre, elles ne semblent pas convenir à nos températures de fonctionnement. En eet, in fine les mesures sur bres devront être réalisées à haute températures, la température de fonctionnement du réacteur étant de 1000 C. De plus, il faut pouvoir disposer d'un outil qui permette de caractériser les matériaux d'étude à plus hautes températures pour prévoir le comporte- ment en conditions accidentelles. A ces températures, des problèmes de carburation entre bres et électrodes viendraient rendre la mesure impossible.

Méthodes sans contact

Les méthodes sans contact peuvent être divisées en deux catégories :  A - les méthodes optiques ;

 B - les méthodes photothermiques.

A - Nous citerons deux types de méthodes optiques connues à ce jour pour déterminer les propriétés thermiques d'une bre : la méthode par eet mirage [SSL98] et la méthode par photoréexion [JLR+03].

 La première méthode consiste en l'excitation locale de la bre par un faisceau modulé dit "pompe", induisant une onde thermique se propageant le long de la bre. Un deuxième laser dit "sonde" est positionné perpendiculairement à la bre, de manière à eeurer sa surface ([SSL98]). Le principe de la méthode consiste en l'évaluation de la déection du laser sonde produit par le gradient thermique imposé à la bre par le laser pompe. L'étude du prol d'amplitude et de phase, induit par la variation des distances entre les deux lasers, conduit à l'estimation de la propriété thermique. Cette méthode, développée à température ambiante, présente l'inconvénient majeur d'être dicile à mettre en oeuvre, au vu de la précision requise pour l'alignement des signaux ;

 La seconde, s'inspirant de [Ros80], évalue la variation de l'orientation de la sur- face excitée par le faisceau pompe. En eet, l'augmentation de la température implique une variation de l'angle local d'orientation de la surface excitée par eet thermomécanique. Le faisceau sonde est cette fois étudié par réexion [JLR+_03].

Les propriétés thermiques de la bre sont déduites via l'étude du déphasage, relevé par une photodiode. Cependant, cette méthode est très dépendante de l'état de sur- face de la bre étudiée, qui doit permettre une réexion optimale du faisceau sonde. B - Les méthodes photothermiques sur bres consistent en la mesure de l'émission infrarouge (par un monodétecteur ou une caméra infrarouge) induite par une variation de température après une excitation par un faisceau laser, modulé ou non.

 La méthode par excitation modulée consiste en l'excitation périodique locale de la bre, créant un gradient de température dans le sens longitudinal. La mesure de l'amplitude et de la phase entre la réponse en température modulée et le signal d'excitation permet de remonter à la propriété thermique [OSF97] [OSF98]. Ces méthodes permettent d'étudier la diusivité thermique de la bre en température lorsque la bre est emprisonnée dans une cage à vide [Pra04] [Gra06]. Le schéma de principe de cette méthode est représenté en gure 3.1.

L'excitation est ici réalisée via un laser modulé, et la réponse thermique est ré- coltée par un monodétecteur ou une caméra infrarouge. L'amplitude et le dépha- sage peuvent être mesurés à diérentes fréquences d'excitation (via un modulateur électromécanique type "chopper") pour diérentes positions sur la bre (via un dispositif de déplacement du détecteur infrarouge dans le cas du monodétecteur).  La méthode par excitation créneau consiste à eectuer les mesures thermiques sur

un signal continu de manière à observer un régime permanent établi pour ensuite observer le régime de relaxation lorsque le signal d'excitation est coupé. Cette mé- thode permet d'estimer la diusivité thermique de la bre étudiée en confrontant les évolutions de la température sur les deux régimes [VBLAS12].

Figure 3.1  Schéma de principe du moyen expérimental de mesure de la diusivité thermique longitu- dinale d'une bre [Pra04]

Bilan des méthodes de mesures thermiques sur bres

Trois grandes familles de méthodes de mesures thermiques sur bres ont été présen- tées. Il a été montré que les méthodes avec contact ne sont pas adaptées aux gammes de températures visées par le cahier des charges. Bien qu'étant adaptées aux hautes tempé- ratures, les méthodes optiques ne seront pas retenues pour la suite de l'étude. En eet la méthode par eet mirage est compliquée à mettre en oeuvre et celle par photoréexion est trop dépendante de l'état de surface de la bre. Finalement, en tenant compte des installations présentes au LCTS [Pra04] [Gra06], l'étude s'est orientée vers une méthode photothermique en adaptant le banc de mesure du laboratoire présenté en gure 3.1, en remplaçant le monodétecteur par une caméra infrarouge [VBLAS12].