Analyse thermomécanique - Définition

Introduction

L'analyse thermomécanique ou ATM (en anglais thermomechanical analysis, TMA) est une technique d'analyse thermique.

L'Analyse Thermique est une série de techniques qui mesure les propriétés physiques ou chimiques d'un matériau en fonction de la température, du temps et de l'atmosphère.

Principe général

L'analyse thermomécanique mesure de façon précise les changements dimensionnels d'un échantillon en fonction de la température, du temps, et de la force constante appliquée.

Les transitions éventuelles d'une substance peuvent être détectées. Les plastiques amorphes, par exemple, ont généralement plusieurs transitions.

Les appareils d'ATM enregistrent en continu la déformation d'une substance, sous charge fixe, pendant qu'elle est soumise à un programme de température contrôlé.

La thermodilatométrie, d'autre part, mesure les changements dimensionnels d'une substance en fonction de la température sans appliquer de force. Pour cette technique, il est possible de calculer la courbe dérivée de la fonction :

avec :

, l'augmentation de longueur

L₀, la longueur initiale de l'échantillon

T, la température,

ce qui permet de déterminer le coefficient de dilatation linéaire (ou linéique) α (aussi noté α_L).

Des accessoires fournis avec les appareils de TMA permettent d'accéder au coefficient de dilatation volumique k (aussi noté α_V ou β). Pour un matériau isotrope :

k = 3 · α.

Note : la dilatation thermique des matériaux est inversement proportionnelle à leur rigidité. Les plastiques ont ainsi des coefficients de dilatation élevés comparativement aux métaux.

Description succincte d'un appareil TMA

L'appareil comprend donc :

• un four (de volume assez faible en général) régulé, programmé (vitesse de chauffe de 0,01 à 100 °C/min ; gamme de -150 °C à +1 000 °C) muni d'un thermocouple placé près de l'échantillon ;
• un capteur de déplacement (résolution en nanomètres) approprié, de type inductif (LVDT), pour mesurer la variation dimensionnelle de l'échantillon (domaine de mesure de ± 5 mm ; longueur de l'échantillon jusqu'à 20 mm) ;
• un système contrôlant l'application de la force transmise (gamme de ± 1 N ou plus) par la sonde (ou palpeur) de mesure de déplacement à l'échantillon ;
• un système de traitement du signal résultant ;
• un système d'évaluation des données ; un graphe est produit.

Il est possible de travailler sous atmosphère contrôlée (inerte ou oxydante) ou sous vide.

Schéma de principe d'un analyseur thermomécanique TMA.

Exemple : mesure des transitions vitreuses

La transition vitreuse s'observe fréquemment pour les polymères. Ce phénomène s'accompagne en particulier d'une augmentation du volume libre, donc du coefficient de dilatation.

Le coefficient de dilatation thermique (coefficient of thermal expansion, CTE) variant brusquement au voisinage de la température de transition vitreuse Tg des polymères, il sera possible de déterminer en TMA la température de cette transition.

Pour un polymère donné, le coefficient α mesuré à une température supérieure à la transition vitreuse est environ trois fois plus élevé que celui mesuré à l'état vitreux.

L'exemple de la figure suivante illustre l'évolution de la longueur en fonction de la température pour un élastomère : le polychloroprène. On observe par ailleurs une zone de fusion (T_F) révélant la présence de zones cristallines.

Thermogramme d'un polychloroprène, obtenu par analyse thermomécanique.

Note : pour ce polymère, dans la région caoutchoutique, la dilatométrie a permis de mesurer α _caout = 200 · 10^-6 /°C.