Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les propriétés physiques, thermiques, mécaniques ou électriques de tous les types de matériaux (isolants, conducteurs,...) dépendent de leur composition chimique, de leur structure cristalline, des interactions au niveau atomiques, etc, et sont fortement influencées par les variations de température. Elles peuvent ainsi varier de plusieurs ordres de grandeur par rapport à leur valeur à température ambiante. La connaissance du comportement de ces matériaux devient donc indispensable si l’on veut, à partir des équations de la physique, prédire le comportement d’un système dans le domaine cryogénique.
Cet article explique les comportements spécifiques des matériaux observés dans le domaine cryogénique et fournit des données chiffrées utiles au dimensionnement.
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Design and production of cryogenic equipments involves a wide variety of materials: thermal insulators, electrical conductors, superconductors, structural materials, etc. Their physical, thermal, mechanical or electrical properties depend on their chemical composition, on their lattice structure, on some interactions at atomic level, etc., and are strongly influenced by temperature variations. They indeed may vary over several orders of magnitude compared to their value at room temperature. Knowledge of the behavior of these materials becomes essential if one wants, with the equations of physics, to predict the behavior of a system in the cryogenic domain.
This article describes the specific behavior of materials observed in the cryogenic field and provides useful data for sizing a system.
Auteur(s)
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Bertrand BAUDOUY : Docteur, Ingénieur chercheur au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) de Saclay au Sein du service des accélérateurs de cryogénie et de magnétisme, France
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Gérard DEFRESNE : Professeur agrégé - Chargé de cours à l'Institut universitaire de technologie d'Orsay (Université de Paris Sud) - Membre du Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur (LIMSI)
-
Patxi DUTHIL : Docteur, Ingénieur de recherche du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) au sein de l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay, France
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Jean-Pierre THERMEAU : Ingénieur de recherche du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) au sein de l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay, France
INTRODUCTION
Les techniques de réalisation des matériels cryogéniques et la préparation d'équipements aux basses températures mettent en œuvre des matériaux très variés : matériaux isolants, conducteurs, voire supraconducteurs électriques, matériaux de structure, etc. Par rapport aux conditions d'utilisation à température ambiante, l'ingénieur va se trouver confronté à une situation nouvelle : la très forte dépendance, en général, des propriétés des matériaux avec la température. La connaissance de ces comportements devient donc indispensable et c'est l'objet de cet article d'attirer l'attention du lecteur sur les aspects originaux de ces propriétés. Certaines peuvent apparaître peu favorables à une application technique et l'on doit alors les subir ; c'est aussi l'art de l'ingénieur de suggérer et d'exploiter des applications nouvelles.
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MOTS-CLÉS
Conductivité thermique Conductivité électrique Résistance mécanique Cryogénie matériaux Construction mécanique Transferts thermiques
KEYWORDS
thermal conductivity | electrical conductivity | mechanical resistance | cryogenic | materials | mechanical engineering | heat transfers
DOI (Digital Object Identifier)
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Propriétés mécaniques2. Propriétés thermiques
Les propriétés thermiques sont associées aux vibrations des atomes autour de leur position d'équilibre, aux mouvements des électrons, etc. L'amplitude des vibrations diminue avec la température ; elles peuvent se propager à la vitesse du son et la propagation de ces vibrations est traitée comme celle d'ondes planes. Dans un matériau, les différents niveaux d'énergie dus aux vibrations atomiques sont appelés phonons. Par extension, le terme phonon est également donné aux ondes dues aux vibrations. On décrit ainsi les propriétés des matériaux isolants. Dans le cas des matériaux conducteurs, s'y ajoutent les déplacements d'électrons (chargés négativement) ou de charges positives (appelées trous). D'autres effets peuvent aussi contribuer aux propriétés thermiques (caractéristiques magnétiques, état supraconducteur, etc.) .
2.1 Capacité thermique et variation d'enthalpie
Quand un matériau absorbe de l'énergie, sa température et ses dimensions augmentent. Dans les matériaux solides, le principal mode d'absorption de l'énergie thermique consiste en une augmentation de l'énergie de vibrations des atomes. Les atomes des solides vibrent constamment et leurs vibrations produisent des ondes qui parcourent le réseau cristallin à la vitesse du son. Pour les matériaux conducteurs, le déplacement des électrons ajoute une contribution supplémentaire à la valeur de la capacité thermique ...
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Propriétés thermiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FOURNIÉ (R.) - Les isolants en électrotechniques. - Eyrolles (1986).
-
(2) - KITTEL (C.) - Physique de l'état solide. - Dunod (2013).
-
(3) - ASHCROFT (N.W.), MERMIN (N.D.) - Physique des solides. - EDP sciences (2002).
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(4) - VAN SCIVER (S.W.) - Helium cryogenics. - Plenum press (2012).
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(5) - BARRON (T.H.), WHITE (G.K.) - Heat capacity and thermal expansion at low temperature. - Plenum press (1999).
-
(6) - EKIN (J.W.) - Experimental techniques for low-temperature measurements. - Oxford university press (2006).
-
(7) - FLYNN (T.M.) - Cryogenic...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Cryocomps© Eckels Engineering Inc 1993-2012. Base de données des propriétés thermiques et électriques des matériaux. Logiciel distribué en France par Cryoforum
HAUT DE PAGE2.1 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Commissariat à l'énergie atomique CEA http://www.cea.fr
Air liquide http://www.airliquide.com
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