Le coefficient de dilatation thermique (CTE) fait référence à la vitesse à laquelle un matériau se dilate avec l’augmentation de la température. Plus précisément, ce coefficient est déterminé à pression constante et sans changement de phase, c’est-à-dire que l’on s’attend à ce que le matériau soit toujours sous sa forme solide ou fluide.

Différents matériaux ont des CTE différents, ce qui les rend adaptés à l’utilisation particulière pour laquelle ils sont sélectionnés. Les céramiques ont un CTE très faible, tandis que les polymères ont un CTE élevé. En ce qui concerne les métaux, l’Invar, un alliage populaire de fer et de nickel, est connu pour son très faible coefficient de dilatation thermique qui le rend stable sur de larges plages de température. Cette propriété l’a rendu utile dans le développement d’instruments d’étalonnage. Le mercure, quant à lui, est connu pour son CTE élevé qui le rend réactif sur une large gamme de températures, comme utilisé dans les thermomètres à mercure.

Dans cet article, vous apprendrez :

• Ce qu’est un coefficient de dilatation thermique
• Comment le coefficient de dilatation thermique est mesuré
• Applications et matériaux qui utilisent le coefficient de dilatation thermique
• Matériaux/applications futurs

Qu’est-ce que le coefficient de dilatation thermique ?

Le coefficient de dilatation thermique est la vitesse à laquelle la taille d’un matériau change par rapport au changement de température. Les considérations de taille peuvent être faites par des changements de longueur, de surface ou de volume, et il y a donc des coefficients dérivables pour les dilatations linéaires, de surface et de volume.

Avec une pression supposée constante, la dilatation linéaire, la dilatation de surface et la dilatation de volume peuvent être écrites plus simplement comme:

`\alpha _{L}=\frac{1}{L}. \frac{dL}{\dT}`

`Alpha _{A}=\frac{1}{A} \frac{dA}{dT}`

« Alpha _{V}=\frac{1}{V} \frac{dV}{dT}`

Où `L`, `A` et `V` sont respectivement la longueur, l’aire et le volume, et `T` la température.

L’unité de mesure des coefficients de dilatation thermique est l’inverse de la température, oC-1 ou K-1. Cependant, des dimensions supplémentaires telles que cm/cm ou mm2/mm2 sont ajoutées à l’unité afin de pouvoir déduire si le coefficient est linéaire, surfacique ou volumétrique.

Lorsque les matériaux sont chauffés, les molécules de ce matériau commencent à s’agiter davantage et la distance moyenne entre elles augmente ce qui se traduit par une expansion de ses dimensions. Cette agitation varie d’un matériau à l’autre et les différents matériaux répondent à l’augmentation de la température de manière différente en raison de leurs liaisons atomiques et de leurs structures moléculaires. Il existe de nombreuses façons d’adapter cette propriété du matériau pour qu’elle soit utile et d’autres façons dont elle doit être prise en compte pour éviter une défaillance catastrophique.

Mesure du coefficient de dilatation thermique

La mesure des coefficients de dilatation thermique se fait par 3 méthodes principales ; la dilatométrie, l’interférométrie et l’analyse thermomécanique.

Dilatométrie

La dilatométrie est une technique assez simple dans laquelle un échantillon d’essai est placé dans un four et chauffé à certaines températures tandis que les changements de dimensions de l’échantillon sont capturés via des capteurs à tige poussoir. Elle a une plage de température comprise entre -180oC et 900oC.

Interférométrie

L’interférométrie est un système d’imagerie et d’interférence optique qui mesure les changements dimensionnels pendant le chauffage ou le refroidissement en termes de densité de longueur d’onde de lumière monochromatique. Elle a une précision nettement supérieure à celle de la dilatométrie.

Analyse thermomécanique

L’analyse thermomécanique implique l’utilisation d’un appareil qui, par le biais d’un émetteur de sonde et d’un transducteur, peut mesurer l’expansion thermique par rapport aux différences de température. Elle a généralement une plage de température comprise entre -120oC et 600oC qui peut être étendue avec différents équipements.

Il existe d’autres méthodes moins courantes qui sont conçues et utilisées dans certaines conditions particulières. Il existe également des modifications des méthodes susmentionnées, qui peuvent augmenter considérablement un aspect de la procédure, comme la plage de température ou la précision de la mesure.

Applications et matériaux

Les applications qui nécessitent des considérations sur le coefficient de dilatation thermique sont principalement les métaux, car sur de courtes plages de température, où d’autres matériaux ne seraient pas détruits, la dilatation thermique est en fait négligeable. Pourtant, sur des plages de températures plus élevées, seuls les métaux peuvent rester intacts. Il existe diverses applications qui exigent que la dilatation thermique soit sérieusement prise en compte. Dans certains cas, il est souhaitable que le CTE du matériau utilisé soit très faible (comme dans les alliages à faible dilatation) et dans d’autres, il doit être aussi élevé que possible (comme dans les alliages d’aluminium).

Les alliages à faible dilatation trouvent des applications dans les horloges/ montres, les pistons des moteurs à combustion interne, les systèmes super conducteurs et l’électronique. En revanche, il faut tenir compte de la dilatation thermique lorsque des pièces importantes ou critiques contiennent une grande quantité d’aluminium. Dans les applications de soudage, les coefficients de dilatation thermique de deux métaux différents qui sont soudés ensemble doivent être similaires, sinon il y a un risque d’accumulation de contraintes résiduelles le long de la soudure, ce qui peut entraîner une défaillance. La même idée s’applique dans la construction (comme les immeubles de grande hauteur, les ponts) où des espaces sont laissés entre la structure centrale non seulement pour tenir compte des mouvements sismiques mais aussi des dilatations thermiques .

Tableau 1. Coefficient de dilatation thermique des matériaux courants

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Matériau	Coefficient de dilatation linéaire en température (10-6 m.m-¹ K-¹)
Diamant
Verre, Pyrex
Bois, pin
Maçonnerie en briques
Kovar
Verre, dur
Granite
Platine
Fonte
Nickel
Acier
Or
Béton
Cuivre
Bronze
Laiton
Aluminium
Calcium
Glace
Mercure
Celluloïde

Futures applications et matériaux

A mesure que les marges d’erreur se réduisent et que le besoin d’une expansion thermique parfaitement définie sur certaines plages de température augmente, il en va de même pour les méthodes d’essai et la création de nouveaux matériaux pour répondre à cette demande. Déjà, de nouvelles méthodes de mesure du CTE ont été développées, telles que la corrélation d’image infrarouge (IIC) et la corrélation d’image numérique .

De nouvelles façons de réduire l’expansion thermique de matériaux tels que les brins de Kevlar en les tordant ensemble comme une corde ont été explorées . D’autres matériaux comme le carbure de silicium utilisé dans la construction des télescopes spatiaux sont finement réglés pour des températures aussi basses que -190oC. Des données complètes sur les matériaux et leurs CTE sont déterminées et documentées pour faciliter les processus de sélection des matériaux pour des besoins spécifiques .

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