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6 oct. 2016

Sous le soleil, les matériaux nous parlent…


Un nouveau dispositif de test a été mis au point dans le cadre du projet européen SFERA II [1], afin d’étudier le comportement thermomécanique de matériaux sous flux solaire concentré. La compréhension de ces mécanismes est un défi pour le développement des centrales solaires à concentration et l’amélioration de la compétitivité de cette filière de production d’électricité.

La production d’électricité renouvelable est un défi majeur du XXIème siècle, pour lequel la concentration de l’énergie solaire est une réponse prometteuse. Les centrales solaires à tour permettent d’atteindre des rendements élevés en fonctionnant à haute température (de l’ordre de 1000°C). Le récepteur, qui absorbe le flux solaire et transmet la chaleur au fluide caloporteur, subit non seulement ces hautes températures, mais également des chocs thermiques répétés (lors de la mise en route journalière des centrales et du passage de nuages) pouvant conduire à une réduction drastique de sa durée de vie. Le comportement des matériaux face à cette fatigue thermomécanique est aujourd’hui mal connu.

La détection des défauts avant dégradation brutale, dans des conditions d’utilisation réelles, est une information capitale pour la maintenance des installations et l’étude du comportement sous charge du matériau. De nombreux secteurs industriels, tels que l’industrie pétrolière ou l’aéronautique, ont recours aux techniques de contrôle non destructif. Parmi elles, l’émission acoustique permet de détecter et suivre in situ l’apparition et la propagation de défauts : dislocation, déformation plastique, fissuration, corrosion, oxydation, etc. Son principe est basé sur la mesure par un capteur piézoélectrique d’ondes élastiques générées par un changement de microstructure induit par l’apparition d’un défaut dans le matériau. Les ondes enregistrées présentent des caractéristiques (amplitude, énergie, durée, etc.) spécifiques à un type de défaut.

Dans le cadre du projet européen SFERA II, les laboratoires PROMES (UPR8521) et SPCTS (UMR7315) ont décidé d’unir leurs compétences respectives en matériaux et procédés pour l’énergie solaire et méthodes ultrasonores pour concevoir un dispositif innovant. Sa fonction est de reproduire les conditions d’utilisation d’un récepteur sur des échantillons de matériaux d’intérêt (SiC, Inconel) et d’en observer le comportement thermomécanique. Ce dispositif est placé au foyer d’un four solaire pouvant concentrer jusqu’à 16000 fois l’énergie solaire sur une tache de 1 cm de diamètre environ. Un système d’obturation à pales mobiles piloté permet d’appliquer des cycles thermiques sévères pouvant accélérer le vieillissement des matériaux. Le choix des cycles appliqués s’inspire d’une méthode innovante développée par le laboratoire PROMES dans le cadre d’un précédent projet (SFERA I [2]), et s’appuie sur un modèle numérique thermomécanique (code_aster). L’échantillon étudié est un disque de quelques centimètres de diamètre posé sur un support 3 points et sur les côtés duquel sont pressés des guides d’ondes en alumine (voir photo). Ces guides transmettent aux capteurs piézoélectriques les ondes acoustiques émises par l’échantillon lors de son endommagement, les maintenant ainsi à l’abri des hautes températures atteintes. Par exemple, pour une variation cyclique du flux solaire incident entre 700 kW.m-2 et 1300 kW.m-2 la vitesse d’échauffement d’un échantillon d’Inconel (100 mm de diamètre et 4 mm d’épaisseur) est de 4°C/s et la température au centre atteint 1100°C avec une différence de température entre la face avant insolée et la face arrière de 200°C environ.

Suite à des tests préliminaires, un maillage de 6 capteurs a été sélectionné afin de localiser de manière fiable la source des évènements acoustiques : une précision de plus de 95% sur la position de ces évènements a été vérifiée par des tests de Hsu-Nielsen (cassé de mines de crayon). Les premiers résultats ont mis en évidence l’apparition de deux types d’endommagements dans les échantillons d’Inconel, qui pourront être corrélés à des évolutions des propriétés structurales telles que le module d’Young.

Ces travaux ont permis de valider l’intérêt de l’émission acoustique pour le suivi de l’endommagement des matériaux sous flux solaire concentré. Le dispositif et la méthode associée pourront être utilisés pour étudier une large palette de matériaux, et définir plus précisément quelles sont les signatures acoustiques caractéristiques de chaque défaut ainsi que les niveaux critiques d’apparition, associés à des cyclages thermiques accélérés.

Contact :
Olivier Faugeroux
Laboratoire Procédés, Matériaux, Energie Solaire (PROMES)

Thierry Chotard
Laboratoire Science des Procédés Céramiques et Traitements de Surface (SPCTS)