Modélisation thermique d’un matériau composite semi-transparent soumis un laser de haute énergie

A différentes étapes de la vie d’un matériau, on peut faire appel au rayonnement laser comme système de chauffage (élaboration et/ou mise en forme), outil de diagnostic (contrôle qualité), voire même comme arme de destruction (applications militaires).
Dans le cas des composites semi-transparents constitués de fibres de verre et de résine époxy, l’interaction avec un flux radiatif est un processus complexe car une partie de l’énergie incidente est absorbée et génère des sources volumiques de chaleur variables dans le matériau tandis que l’autre partie est transmise et/ou réfléchie vers le milieu environnant. Comprendre la propagation du rayonnement laser et plus particulièrement déterminer le profil d’absorption du flux est donc essentiel pour prédire son comportement thermique. Les propriétés radiatives et thermiques de ce type de matériau composite sont thermo dépendantes, ce qui complique d’autant le problème. Dans ce travail, nous avons utilisé un modèle thermique pour prédire le champ de température au sein d’un matériau composite fibre de verre/résine époxy soumis à rayonnement laser de haute énergie en prenant en compte l’évolution des propriétés radiatives et thermiques. Le modèle thermique est basé sur la résolution de l’équation de la chaleur par la méthode des éléments-finis (logiciel COMSOL Multiphysics). Le terme source de l’équation de la chaleur est calculé à partir des profils tridimensionnels d’absorption obtenus en résolvant l’équation de transfert radiatif par une méthode de Monte Carlo. Les propriétés radiatives utilisées ont été identifiées entre 20 et 450 °C. Les propriétés thermiques, à savoir l’émissivité, la masse volumique, la chaleur spécifique et la diffusivité thermique, ont été déterminées entre 20 et 400 °C à partir de différents dispositifs expérimentaux (DSC, ATG, méthode flash, spectrophotomètres, dilatomètre).
Afin de valider le modèle théorique, nous avons mis en place une expérience pour mesurer les températures sur les deux faces d’un échantillon plan soumis à de forts flux laser. Au cours de cette expérience, l’échantillon est soumis à trois densités de flux différentes, 75, 150 et 300 W/cm2 sur une zone circulaire de 20 mm de diamètre au centre de l’échantillon pendant respectivement 10, 5 et 2.5 secondes. En raison de la différence de vitesse de chauffe utilisée lors des caractérisations des propriétés thermiques et radiatives et des tests en conditions réelles, la cinétique de chauffe est un paramètre important qui ne peut être négligé. Pour ce faire, nous avons utilisé la loi empirique d’Arrhenius qui permet d’associer les propriétés du matériau à l’évolution du taux de dégradation plutôt qu’à la température. Ainsi, elle réduit l’impact de la cinétique de chauffe sur les propriétés thermiques et radiatives. Le dispositif expérimental mis en place permet également de mesurer la transmittance normale-normale de l’échantillon testé. Cette mesure confirme l’impact de la cinétique de chauffe et donc l’intérêt d’utiliser la loi d’Arrhenius. Les résultats théoriques et expérimentaux sont cohérents pour les trois densités de puissance utilisées. Le modèle obtient des résultats très proches des mesures pendant la première partie du chauffage jusque 200 °C, en particulier pour la plus faible vitesse de chauffe.