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Journées Annuelles SF2M 2017 Caractérisation et modélisation des matériaux d’interfaces thermiques aux assemblages boulonnés dans le domaine aérospatial Simon Vandevelde, Alain Daidié, Marc Sartor Institut Clément Ader (ICA), CNRS-INSA-ISAE-Mines Albi-UPS, Université de Toulouse, 3 rue Caroline Aigle, 31400 Toulouse, France Résumé Ce document présente les premières étapes de caractérisation, de modélisation mécanique et de caractérisation thermique d’un matériau d’interface. Ce matériau est destiné à améliorer la conductivité thermique au niveau des contacts des pièces assemblées. Un des matériaux souvent utilisés dans le domaine du spatial, le Tflex est caractérisé via un essai de compression uniaxial, puis modélisé. Sa conductivité thermique est mesurée en fonction de la température pour la plage de la température de -30 à 110 °C. Cette étude a été rendue possible par les entreprises CNES et Thales Alenia Space. Introduction Les assemblages par éléments de fixation vissés sont présents à différentes échelles dans les produits spatiaux : composants, boitiers, panneaux, structures. L’augmentation de la puissance des équipements électroniques accroît le besoin de performance en termes de transfert thermique au sein de ces assemblages [1]. Compte-tenu des attendus en matière de comportement thermique dans le domaine, plusieurs techniques peuvent être utilisées pour diminuer la Résistance Thermique de Contact (RTC) dans ces assemblages. L’interposition de matériaux d’interface au sein des assemblages est incontournable. La maîtrise des résistances thermiques obtenues au moment de l’installation, mais surtout de celles résiduelles au fil du temps, de par le comportement viscoplastique des matériaux d’interface et les chargements mécaniques auxquels ils sont soumis dans le cadre d’un assemblage, est encore un enjeu de taille [2]. La caractérisation et la modélisation des aspects mécaniques et thermiques des matériaux d’interface sont les objectifs de cette étude. Caractérisation Méthodologie de la mesure mécanique Le comportement mécanique en compression du Tflex est mesuré à l’aide d’un Dynamical Mechanical Analyzer (DMA). Les conditions de la mesure sont présentées dans le tableau I. Les échantillons en forme de cube sont sollicités en compression uniaxiale en pilotant la vitesse de déplacement. Après avoir obtenu une valeur de déformation limite, on relâche la sollicitation de compression. Deux échantillons ont été utilisés pour chacun des 4 niveaux de déformation limite (Figure 1). Résultats expérimentaux mécanique La Figure 1 présente les courbes des contraintes de compression en fonction de la déformation. La contrainte Tableau I. Conditions de la mesure du DMA Description Caractéristiques Taille d’échantillon 5 x 5 x 5 mm Nombre d’échantillons 8 Déformation limite -20 ; -40 ; -60 ; -80 % Vitesse de déplacement -0.1 mm/s Température ambiante Figure 1. Contrainte en fonction du déplacement du Tflex est calculée ici comme la force divisée par la surface réelle de l’échantillon. La surface réelle est calculée en considérant que le volume de l’échantillon reste constant pendant la compression. Les courbes sont assez linéaires pendant la compression. Dans la phase de déchargement de la sollicitation de compression, l’évolution de la pression s’interrompt brusquement. Le retour élastique du Tflex est quasiment inexistant. L’écart entre les courbes est principalement dû à la faible précision de la taille des échantillons. Méthodologie de la mesure thermique Le but est d’évaluer le comportement de la conductivité thermique en fonction de la température. La plage des températures est fixée entre -30 et 110 °C pour être en cohérence avec l’application spatiale. La conductivité thermique est décrite par la relation (1). ()= () () () (1) avec la diffusivité, la capacité thermique et le masse volumique. Pour obtenir la conductivité thermique,

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Page 1: Caractérisation et modélisation des matériaux … · Caractérisation et modélisation des matériaux d’interfaces thermiques aux ... La caractérisation mécanique du Tflex

Journées Annuelles SF2M 2017

Caractérisation et modélisation des matériaux d’interfaces thermiques aux assemblages boulonnés dans le domaine aérospatial

Simon Vandevelde, Alain Daidié, Marc Sartor

Institut Clément Ader (ICA), CNRS-INSA-ISAE-Mines Albi-UPS, Université de Toulouse, 3 rue Caroline Aigle, 31400 Toulouse, France

Résumé Ce document présente les premières étapes de caractérisation, de modélisation mécanique et de caractérisation thermique d’un matériau d’interface. Ce matériau est destiné à améliorer la conductivité thermique au niveau des contacts des pièces assemblées. Un des matériaux souvent utilisés dans le domaine du spatial, le Tflex est caractérisé via un essai de compression uniaxial, puis modélisé. Sa conductivité thermique est mesurée en fonction de la température pour la plage de la température de -30 à 110 °C. Cette étude a été rendue possible par les entreprises CNES et Thales Alenia Space.

Introduction Les assemblages par éléments de fixation vissés sont présents à différentes échelles dans les produits spatiaux : composants, boitiers, panneaux, structures. L’augmentation de la puissance des équipements électroniques accroît le besoin de performance en termes de transfert thermique au sein de ces assemblages [1]. Compte-tenu des attendus en matière de comportement thermique dans le domaine, plusieurs techniques peuvent être utilisées pour diminuer la Résistance Thermique de Contact (RTC) dans ces assemblages. L’interposition de matériaux d’interface au sein des assemblages est incontournable. La maîtrise des résistances thermiques obtenues au moment de l’installation, mais surtout de celles résiduelles au fil du temps, de par le comportement viscoplastique des matériaux d’interface et les chargements mécaniques auxquels ils sont soumis dans le cadre d’un assemblage, est encore un enjeu de taille [2]. La caractérisation et la modélisation des aspects mécaniques et thermiques des matériaux d’interface sont les objectifs de cette étude.

Caractérisation Méthodologie de la mesure mécanique Le comportement mécanique en compression du Tflex est mesuré à l’aide d’un Dynamical Mechanical Analyzer (DMA). Les conditions de la mesure sont présentées dans le tableau I. Les échantillons en forme de cube sont sollicités en compression uniaxiale en pilotant la vitesse de déplacement. Après avoir obtenu une valeur de déformation limite, on relâche la sollicitation de compression. Deux échantillons ont été utilisés pour chacun des 4 niveaux de déformation limite (Figure 1). Résultats expérimentaux mécanique

La Figure 1 présente les courbes des contraintes de compression en fonction de la déformation. La contrainte

Tableau I. Conditions de la mesure du DMA

Description Caractéristiques Taille d’échantillon 5 x 5 x 5 mm Nombre d’échantillons 8 Déformation limite -20 ; -40 ; -60 ; -80 % Vitesse de déplacement -0.1 mm/s Température ambiante

Figure 1. Contrainte en fonction du déplacement du Tflex

est calculée ici comme la force divisée par la surface réelle de l’échantillon. La surface réelle est calculée en considérant que le volume de l’échantillon reste constant pendant la compression. Les courbes sont assez linéaires pendant la compression. Dans la phase de déchargement de la sollicitation de compression, l’évolution de la pression s’interrompt brusquement. Le retour élastique du Tflex est quasiment inexistant. L’écart entre les courbes est principalement dû à la faible précision de la taille des échantillons. Méthodologie de la mesure thermique Le but est d’évaluer le comportement de la conductivité thermique en fonction de la température. La plage des températures est fixée entre -30 et 110 °C pour être en cohérence avec l’application spatiale. La conductivité thermique est décrite par la relation (1).

𝜆(𝑇) = 𝑎(𝑇) ⋅ 𝐶𝑝(𝑇) ⋅ 𝜌(𝑇) (1)

avec 𝑎 la diffusivité, 𝐶𝑝 la capacité thermique et 𝜌 le masse volumique. Pour obtenir la conductivité thermique,

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Journées Annuelles SF2M 2017

il faut trois mesures indépendantes. La diffusivité est mesurée par un Laser Flash Analyser (LFA). La capacité

Figure 2. Conductivité thermique en fonction de la

température du Tflex thermique est mesurée par le Dynamical Scanning Calorimetry (DSC). La densité est mesurée par un densimètre avec de l’eau et une balance. La densité peut être considérée comme constante en fonction de la température, au vu du faible niveau de température. Pour chaque mesure, au moins trois échantillons ont été utilisés. Résultats expérimentaux thermique La Figure 2 présente le résultat combiné 𝜆(𝑇) pour le matériau étudié et est comparé avec la valeur constante de référence du fournisseur. La conductivité thermique mesurée est dans le même ordre de grandeur de la référence. Cependant, on remarque qu’elle diminue en fonction de la température de façon non négligeable.

Modélisation mécanique Les courbes de la Figure 3 sont obtenues avec le logiciel d’éléments finis ABAQUS à partir d’un tableau de données [contraintes – déformations] issues de l’expérimental. L’objectif est de reproduire numériquement le comportement plastique du matériau d’interface [3]. La simulation de l’essai de compression d’un échantillon a été réalisée pour deux cas extrêmes (avec et sans frottement entre le matériau et la plaque d’appui de compression). Le constat de l’analyse des courbes de la Figure 3, montre une divergence des courbes au-delà d’une déformation de 40%. Pour nos futurs travaux, nous devons être plus représentatifs du comportement plastique sur les grandes déformations.

Conclusions La caractérisation mécanique du Tflex révèle un comportement uniquement plastique en sollicitation de compression. La caractérisation thermique révèle une dépendance non négligeable de la température sur la conductivité. Cela pourrait avoir une grande influence sur la performance thermique d’un assemblage avec ce matériau d’interface.

Une démarche de modélisation mécanique ne s’appuyant que sur l’introduction de données expérimentales dans un code de calcul numérique ne suffit pas à reproduire directement le comportement réel. Il convient, dans notre cas, de vérifier les conditions limites de modélisation, mais

Figure 3. Comparaison modélisation numérique avec

l’essai expérimental aussi de s’interroger sur le protocole d’acquisition des données expérimentales sur ce type de caractérisation.

Perspectives Actuellement, seul le Tflex a été caractérisé et modélisé. La même stratégie de caractérisation sera appliquée à d’autres matériaux d’interface (eGraf et CHOTHERM). Les influences de la vitesse de compression (comportement visqueux) et de la température doivent encore être étudiées plus finement. Le comportement visqueux des matériaux peut avoir un rôle non négligeable sur les grandes déformations et ce phénomène doit être pris en compte dans un nouveau modèle numérique. Les données expérimentales du couple contraintes-déformations, sont perturbées par les conditions limites d’effet de bord (adhérence dans les zones de contact d’appui). Une mesure locale, loin des plaques d’appui, pourrait mieux représenter le comportement des matériaux, indépendamment des efforts de bord. D’un point de vue thermique, la conductivité a été mesurée dans l’épaisseur des échantillons. Si l’on vérifie une anisotropie du matériau, il sera nécessaire de déterminer la conductivité dans les autres orientations.

Références [1] D. G. Gilmore, Spacecraft Thermal Control Handbook, Volume I: Fundamental Technologies, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2002. [2] Y. J. Lee, Thermo-mechanical properties of high performance thermal interface gap filler pads, in 2010 12th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, 2010, 1‑8. [3] J. Vandewalle, Theoretische studie en numerieke simulatie van een klei-extrusieproces, Ghent University, 2007.