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Un matériau composite à base d’une structure conductrice de Graphite Naturel Expansé (GNE), et de Matériau à Changement de Phase (MCP) de type paraffine RT70 HC, dédié pour le stockage de la chaleur latente est présenté dans cette communication. La particularité de ce MCP est qu’il possède une surfusion et une cristallisation présentant deux transformations différentes. Et, afin de modéliser le changement de phase, un terme source exprimé avec la forme différentielle de Nakamura, est ajouté à l’équation de l’énergie. Un dispositif expérimental et son modèle numérique couplé à une méthode inverse sont utilisés pour valider le comportement thermique du matériau, en particulier pendant la phase de solidification.

Nous présentons le comportement thermique lors de son changement de phase d'un matériau composé d'une fraction massique de graphite naturel expansé (GNE) de 20% pour 80% de paraffine RT70 HC de RUBITHERM®. La géométrie étudiée est une plaque de ce matériau composite pour laquelle un dispositif expérimental a été conçu. Il permet de reproduire les conditions de transferts lors d'un processus de stockage thermique, dans une plaque qui représente un élément unitaire d'un module de stockage. Le système permet d'imposer une variation de température au matériau composite, dans le plan de la plaque de dimensions 143×143×20mm, afin de privilégier les transferts suivant la direction dans laquelle la conductivité thermique est la plus importante. Le dispositif expérimental comporte une pièce de cuivre dans laquelle circule le fluide caloporteur (eau) placée sur la tranche de la plaque. Des plaques isolantes entourent l'échantillon afin de limiter les pertes thermiques. Ce dispositif expérimental permet, dans un premier temps, d'identifier des propriétés thermiques du matériau et les résistances entre la plaque et son environnement hors du domaine de changement de phase à l'aide d'une méthode inverse, et ensuite, de valider expérimentalement le modèle numérique de changement de phase. Le champ de température dans la plaque est mesuré à l'aide de micro-thermocouples. Il est crucial de maitriser le contact entre l'échantillon et la pièce de cuivre dans laquelle circule le fluide caloporteur. Pour cela, un vérin a été placé sur la face latérale de l'échantillon (côté opposé à la pièce de cuivre) pour appliquer une pression régulée entre l'échantillon et la pièce de cuivre. Un modèle numérique 3D sous Comsol multiphysics a été développé. Le MCP étant encapsulé dans la matrice de GNE anisotrope, les phénomènes de transferts thermiques dans la plaque sont conductifs. La fusion est classiquement modélisée par méthode enthalpique, la fusion ne présentant pas de cinétique, un pic de fusion assez étalé étant observé en DSC, indépendant de la vitesse de chauffage. Le matériau présente en solidification un comportement complexe, avec deux pics, se déplaçant en fonction de la vitesse de refroidissement. Nous avons utilisé une méthode de cinétique de cristallisation qui consiste à ajouter un terme source à l'équation de l'énergie. Au cours de la phase de solidification deux transformations exothermiques ont été mises en évidence. L'évolution de la fonction de cinétique de cristallisation de chaque transformation a été définie. La classique formulation différentielle de Nakamura a été utilisée pour décrire les cinétiques de cristallisation pour un refroidissement quelconque. Une pondération entre chaque transformation a été introduite, basée sur le rapport d'enthalpie du pic de chaque transformation par rapport à l'enthalpie totale de changement de phase. En utilisant les conditions aux limites obtenues par des thermocouples placés sur les faces latérales de l'échantillon, les températures à cœur ont été calculées à la position de plusieurs thermocouples La méthode montre des résultats excellents, avec un écart quadratique de l'ordre de 0.03K entre mesures et calcul, inférieur aux incertitudes de mesures.

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Heat transfer during the cooling of a thermoplastic injected part directly affects the solidification of the polymer and consequently the quality of the part in term of mechanical properties, geometric tolerance and surface aspect. This paper proposes to mold designers a methodology based on analytical models to provide quickly the time to reach the ejection temperature depending of the temperature and the position of cooling channels. The obtained cooling time is the first step of the thermal conception of the mold. The presented methodology is dedicated to the determination of solidification time of a semi-crystalline polymer slab. It allows the calculation of the crystallization time of the part and is based on the analytical solution of the Stefan problem in a semi-infinite medium. The crystallization is then considered as a phase change with an effective crystallization temperature, which is obtained from Fast Scanning Calorimetry (FSC) results. The crystallization time is then corrected to take the finite thickness of the part into account. To check the accuracy of such approach, the solidification time is calculated by solving the heat conduction equation coupled to the crystallization kinetics of the polymer. The impact of the nature of the contact between the polymer and the mold is evaluated. The thermal contact resistance (TCR) appears as significant parameter that needs to be taken into account in the cooling time calculation. The results of the simplified model including or not TCR are compared in the case of a polypropylene (PP) with experiments carried out with an instrumented mold. Then, the methodology is applied for a part made with PolyEtherEtherKetone (PEEK).