Un aperçu de l’Analyse Thermomécanique
L’analyse thermomécanique mesure les variations de dimensions de matériaux en fonction de la température. Elle est appelée TMA (pour thermomechanical analysis en anglais) ou dilatométrie.
TMA – Introduction à l’Analyse Thermomécanique
L’analyse thermomécanique est une technique basée sur des mesures de variations de dimensions d’un échantillon de matériau à caractériser lorsque cet échantillon est soumis à une température donnée ou à un programme de variation de température.
L’instrument, parfois appelé un dilatomètre, qui permet d’appliquer cette technique est composé principalement :
- D’une tête de mesure capable de mesurer en continu le changement de dimension de l’échantillon dans un axe choisi.
- D’un système porte-échantillon solidaire de cette tête de mesure.
- D’un four, dans lequel l’échantillon et le porte-échantillon sont placés pendant l’expérimentation. Ce four est équipé d’un système de régulation de température qui lui permet de chauffer, refroidir, et de maintenir la température selon un profil programmé par l’utilisateur.
- D’un système de gestion des gaz qui permet de contrôler la composition et le renouvellement de l’atmosphère autour de l’échantillon. Selon l’application souhaitée, la nature du ou des gaz utilisés peut être choisie pour générer une atmosphère inerte, ou au contraire réactive lorsqu’il s’agit d’analyser une réaction spécifique de l’échantillon.
Les analyseurs thermomécaniques couvrent les besoins de la recherche & développement de matériaux sous différentes formes (solides, poudres) sur une très large gamme de température.
La TMA et les mesures de variations de dimensions
L’analyse de la variation de dimension en fonction du temps ou de la température permet de caractériser les phénomènes de dilatation et de densification. Considérons par exemple une pièce mono-matériau au sein d’un système multi-matériaux. Si sa dimension entre la température du système à l’arrêt et sa température en fonctionnement varie beaucoup, il est primordial lors de la conception mécanique du système, de prendre en compte cette différence. Sinon elle subira des contraintes mécaniques qui affecteront le fonctionnement du système et la durabilité de la pièce.
Une autre application classique des mesures de variations de dimensions est la caractérisation de la densification lors du frittage des poudres. Le frittage est utilisé pour fabriquer des pièces de formes complexes à partir de poudres de céramiques ou de métaux, et d’un liant. Ce principe est par exemple utilisé dans certaines techniques d’impression 3D. Le taux de densification a une influence critique sur la résistance mécanique de la pièce frittée ou imprimée.
La TMA et les mesures de température
Lorsque l’échantillon est chauffé dans l’analyseur et subit certaines transformations telles qu’un ramollissement, une transition vitreuse ou un frittage dans le cas d’une poudre, sa vitesse de variation de dimension va changer progressivement. Ce changement sera détecté par le capteur et enregistré par l’analyseur. Ainsi, l’analyse d’une courbe représentant la variation de dimension en fonction de la température permet de caractériser les températures auxquelles les transformations ont lieu. Ainsi la technique permet de déterminer des températures de transition vitreuse, de ramollissement ou diverses étapes dans le processus de frittage d’une poudre.
La TMA et les mesures de coefficients de dilatation
Le coefficient de dilatation, parfois appelé coefficient d’expansion thermique, caractérise, à une température donnée ou sur un intervalle de température, l’aptitude d’un matériau à se dilater. Il s’agit donc d’une donnée fondamentale pour les ingénieurs en charge du développement de systèmes qui subissent de fortes variations de température pendant leur fabrication ou leur utilisation.
La TMA, via l’utilisation d’une procédure simple consistant à réaliser une série de mesures est capable de mesurer les valeurs de coefficient de dilatation d’un matériau à une température fixe, et sa variation ou sa valeur moyenne sur un intervalle de température choisi par l’utilisateur.
