Rejoindre les nano et macro mondes : la mesure des propriétés thermiques utilisant la microscopie thermique et la radiométrie photothermique

Bridging the nano- and macro- worlds : thermal property measurement using scanning thermal microscopy and photothermal radiometry

• Auteur / Autrice : Colby Jensen
• Direction : Mihai Chirtoc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 30/05/2014
• Etablissement(s) : Reims en cotutelle avec Utah State University
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne ; 2000-2011)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Recherche en Sciences Pour l’Ingénieur (GRESPI) EA 4694 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Stephen Bialkowski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mihai Chirtoc, Heng Ban, Byard Wood, Jean Ebothe, Sebastian Volz
• DOI : 10.70675/2baf7b9azffe2z45a9z8272zc873ae5e9d1f

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fatigue des matériaux

Matériaux -- Effets des rayonnements

Mots clés libres

Conductivité thermique

Microscopie thermique

Radiométrie photothermique

Effets de l'irradiation

Thermal conductivity

Scanning thermal microscopy

Photothermal radiometry

Irradiation effects

Résumé

Dans les applications nucléaires, les propriétés des matériaux peuvent subir des modifications importantes en raison de l'interaction destructive avec l'irradiation de particules au niveau des microstructures, qui affectent les propriétés globales. L'un des défis associés aux études de matériaux irradiés par des ions, c'est que la couche concernée, ou la profondeur de pénétration, est généralement très mince (0,1-100 um). Cette étude élargit la base des connaissances actuelles en matière de transport thermique dans les matériaux irradiés par des ions, en utilisant une approche expérimentale multiéchelles avec des méthodes basées sur des ondes thermiques. D'une manière pas encore explorée auparavant, quatre méthodes sont utilisées pour caractériser la couche irradiée par des protons dans ZrC : la microscopie thermique à balayage (SThM), la radiométrie photothermique (PTR) avec détection sur la face avant et balayage spatial, la thermographie infrarouge lock-In (IRT), et la PTR tomographique avec balayage en fréquence. Pour la première fois, le profil de conductivité thermique en profondeur d'un échantillon irradié est mesuré directement. Les profils obtenus par chacune des méthodes d'analyse spatiale sont comparés les uns aux autres et à la prévision numérique du profil endommagé. La nature complémentaire des différentes techniques valide le profil mesuré et la dégradation constatée de la conductivité thermique de l'échantillon de ZrC.

In nuclear applications, material properties can undergo significant alteration due to destructive interaction with irradiating particles at microstructural levels that affect bulk properties. One of the challenges associated with studies of ion-Irradiated materials is that the affected layer, or penetration depth, is typically very thin (~0.1-100 μm). This study expands the current knowledge base regarding thermal transport in ion-Irradiated materials through the use of a multiscaled experimental approach using thermal wave methods. In a manner not previously explored, four thermal wave methods are used to characterize the proton-Irradiated layer in ZrC including scanning thermal microscopy (SThM), spatial-Scanning front-Detection photothermal radiometry (PTR), lock-In IR thermography (lock-In IRT), and tomographic, frequency-Based PTR. For the first time, the in-Depth thermal conductivity profile of an irradiated sample is measured directly. The profiles obtained by each of the spatial scanning methods are compared to each other and the numerical prediction of the ion-Damage profile. The complementary nature of the various techniques validates the measured profile and the measured degradation of thermal conductivity in the ZrC sample.