Influence des propriétés des grains sur la conductivité thermique d’un lit de poudre d’alumine α-Al2O3

Les céramiques sont des matériaux qui possèdent des propriétés thermiques et mécaniques intéressantes pour différentes applications industrielles. Notamment, dans le domaine du nucléaire, le dioxyde d’uranium est utilisé comme combustible nucléaire car il est très résistant à la chaleur et au gradient de température. Les céramiques ont aussi, pour la plupart, une faible conductivité thermique et une forte résistance mécanique à la chaleur, ce qui font d’elles un matériau idéal pour la conception de four ou d’isolant. Elles peuvent aussi, selon le procédé utilisé pour leur fabrication, être très poreuses et avoir de hautes surfaces spécifiques. Elles sont ainsi utilisées pour des applications liées au filtrage ou comme support de catalyseurs. C’est pourquoi ce genre de matériaux s’inscrit très bien dans le contexte de réduction d’énergie, en rendant les systèmes plus performants.

On s’intéresse dans ce travail au comportement thermique de poudres d’alumine α-Al2O3, qui peut être influencé par la porosité, la taille des grains, la forme des grains, la forme et l’échelle des pores, l’arrangement des grains, etc. Ce travail traite en particulier, d’une part, de l’influence de la taille des grains sur la conductivité apparente du lit de poudre et, d’autre part, de l’influence de la géométrie des grains et de l’arrangement du milieu. La mesure de conductivité passe par l’estimation de la diffusivité et de l’effusivité thermique. Ce sont des propriétés thermiques effectives du milieu que nous mesurons à l’aide d’un plan chaud, la méthode de mesure est transitoire. Un des premiers résultats observés est, qu’à porosité égale, la conductivité augmente avec la taille des grains jusqu’à un palier.

Par ailleurs, nous savons que la géométrie des grains et leur arrangement sont des paramètres importants qui influent sur le comportement thermique global. Pour cela, une autre expérience vise à comparer deux poudres ayant une taille de grains moyenne et une porosité quasiment identiques. L’une est composée de grains pleins ayant une porosité interne répartie de manière homogène et isotrope et l’autre de grains creux possédant une grosse porosité en son centre. Une caractérisation fine des deux poudres, avec une résolution proche du micromètre, est obtenue par des mesures au tomographe à rayon X. Ceci permet de quantifier avec des paramètres géométriques les différences entre les grains, mais aussi l’arrangement des grains entre eux. L’élaboration d’un modèle basé sur la théorie de la percolation prenant en compte des paramètres microstructuraux des poudres, nous permet d’avoir une bonne prédiction de la conductivité thermique effective des lits de poudres.