Coefficient de dilatation thermique

Coefficient de dilatation thermique

Le coefficient de dilatation thermique quantifie l'ampleur du changement de taille qui se produit dans un matériau en fonction de la température. Il mesure le changement dimensionnel par degré de température, généralement enregistré par °C (°C-¹) ou par Kelvin (K-¹), et constitue une propriété essentielle des matériaux utilisée pour prédire leur réaction dans des environnements chauffés et refroidis. Bien qu'il existe un moyen mathématique de décrire l'ECU, le principe de base est assez simple : les matériaux se dilatent en chauffant et se contractent en refroidissant ; toutefois, le degré de dilatation dépend de la structure atomique, du type de liaison et de la microstructure.

Facteurs affectant la dilatation thermique

1. Composition des matériaux

En fonction de leur liaison, les classes de matériaux ont des réactions à la dilatation thermique très différentes.

• Lesmétaux: présentent généralement des valeurs d'ETR plus élevées car, dans les liaisons métalliques, les atomes peuvent vibrer plus librement (par exemple, l'aluminium ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹).
• Céramiques: En raison de la rigidité des liaisons ioniques/covalentes, elles ont un faible ETC. La silice fondue, par exemple, a un ERC ≈ 0,5 × 10-⁶ °C-¹.
• Polymères : ils présentent très souvent des valeurs non linéaires très élevées de l'ERC, comme le polyéthylène ≈ 100 × 10-⁶ °C-¹.

• Matériaux composites : Leur coefficient de dilatation thermique dépend de la combinaison fibre/matrice ; les composites à base de fibres de carbone peuvent même présenter une dilatation thermique proche de zéro.

2. Plage de température

Le coefficient de dilatation thermique n'est pas nécessairement constant. De nombreux matériaux présentent :

- un comportement linéaire dans une plage de température modérée

- une expansion non linéaire autour des transitions de phase ou des températures élevées.

L'acier, par exemple, a un coefficient de dilatation à peu près linéaire dans la plage de 20 à 100 °C, mais ses taux de dilatation augmentent à mesure que la température s'élève, à proximité de son point de recristallisation.

3. Anisotropie structurelle

Si un matériau est anisotrope, il subira une expansion inégale le long de différents axes.

- Le bois se dilate fortement en travers du grain, mais très peu le long du grain.

4. Contraintes externes et résiduelles

Des contraintes internes peuvent être introduites par des procédés de fabrication tels que le soudage, l'usinage et le travail à froid. Ces contraintes peuvent renforcer ou contrarier le comportement naturel de dilatation et modifier l'ECU effectif en conséquence.

5. Exposition à l'environnement

Le CDT peut varier subtilement avec le temps en raison de l'humidité absorbée, de l'oxydation et d'autres interactions chimiques. En fait, de nombreux polymères absorbent l'humidité et gonflent, ce qui affecte les caractéristiques de dilatation thermique.

Types de dilatation thermique

Il existe généralement trois types de dilatation thermique, en fonction de la variation dimensionnelle décrite.

1. Dilatation thermique linéaire

Il s'agit du changement de longueur d'un matériau en fonction de la température.

La plupart des matériaux d'ingénierie - métaux, polymères et composants structurels - sont évalués en termes de CDT linéaire.

Une barre d'aluminium de 1 mètre de longCTE ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹ se dilatera d'environ 23 micromètres si elle est chauffée de 1°C.

2. Dilatation thermique surfacique (bidimensionnelle)

Certaines applications - films, revêtements, membranes - nécessitent de comprendre comment la surface se dilate.

Pour un matériau isotrope, la dilatation de la surface est approximativement le double de l'ETR linéaire.

Les plaques métalliques des échangeurs de chaleur subissent une dilatation bidimensionnelle qui peut affecter l'étanchéité des joints et la précharge des boulons.

3. Dilatation thermique volumétrique

Décrit l'expansion tridimensionnelle du volume. Utilisée pour les fluides, les céramiques et les composants moulés.

Des changements volumétriques importants caractérisent les polymères ainsi que les composites à matrice polymère, ce qui affecte la conception des moules lors de la fabrication des matières plastiques.

Applications de l'ingénierie de la dilatation thermique

1. Génie civil et structurel

Les grandes structures dépendent d'un facteur de conception critique : la dilatation thermique.

- Les joints de dilatation des ponts sont conçus pour absorber ces déplacements de plusieurs centimètres liés aux changements de température saisonniers.

- Les chaussées en béton sont espacées par des joints de dilatation afin d'éviter les déformations dues à la chaleur estivale.

- La hauteur des gratte-ciel peut varier de quelques millimètres à quelques centimètres en raison des cycles thermiques quotidiens.

2. Avions et engins spatiaux

Les avions et les engins spatiaux sont généralement soumis à des gradients thermiques extrêmes :

• Les pales de turbine des moteurs à réaction fonctionnent à des températures supérieures à 1 000 °C et doivent utiliser des superalliages à base de nickel dont le coefficient de dilatation est étroitement contrôlé afin d'éviter les fissures.
• Les composants optiques des satellites sont généralement fabriqués à partir d'alliages à faible dilatation, tels que l'Invar, ou de matériaux céramiques afin de maintenir la stabilité dimensionnelle en orbite.

3. Électronique et semi-conducteurs

L'inadéquation de l'ETC entre les composants est une source potentielle de fatigue des soudures et de défaillance des appareils :

- Les composites en fibre de verre conçus pour correspondre à l'expansion du cuivre sont utilisés dans les cartes de circuits imprimés (PCB) pour améliorer la fiabilité.

4. Énergie et machines industrielles

La dilatation thermique affecte :

Les exemples incluent les échangeurs de chaleur et les chaudières, où les tubes métalliques sont dilatés pendant les cycles d'activation.

Boîtiers de turbines - dégagements contrôlés

Gazoducs conçus pour s'adapter aux saisons.

5. Optique de précision et instruments scientifiques

Les matériaux à très faible dilatation comprennent le verre ULE et la silice fondue, qui sont utilisés dans les bancs optiques, les télescopes et les systèmes de métrologie où la précision est requise jusqu'à l'échelle du nanomètre.

Dilatation thermique de matériaux courants

Le tableau ci-dessous donne des exemples de divers matériaux et de leurs coefficients de dilatation thermique respectifs :

Dilatation thermique des métaux courants

Questions fréquemment posées

Quelle est l'importance du coefficient de dilatation thermique en ingénierie ?

Le coefficient de dilatation thermique est essentiel en ingénierie pour concevoir des structures et des composants capables de résister aux changements de température sans subir de contraintes ou de déformations excessives. Il garantit l'intégrité et la longévité des matériaux utilisés dans diverses applications.

Comment mesure-t-on la dilatation thermique ?

Il est généralement mesuré par dilatométrie, où le changement de dimension est enregistré en continu sous chauffage ou refroidissement contrôlé.

La pureté a-t-elle une incidence sur l'ECU ?

Oui. Les ajouts d'alliages, les impuretés et les défauts peuvent entraîner des changements significatifs dans l'ERC. Les alliages Invar en sont un exemple : l'ajout de Ni permet d'ajuster précisément la dilatation thermique.