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Thermochromie

Matériaux perovskites

Les pérovskites de formule générale RMO3 (R : La, Pr, Sm, Nd... M : Co, Ni, Mn,…), présentent une transition métal - isolant abrupte dont la température (TMI) dépend de la composition. Cette transition se traduit dans le domaine infrarouge par le passage abrupt d'un comportement quasi opaque à transparent en fonction de la température. Nos efforts portent sur la simplification des conditions de synthèse parfois drastiques de ces matériaux ainsi que sur les caractérisations électriques et optiques. Les propriétés de ces films minces trouvent des applications dans le domaine de la furtivité et de la régulation thermique solaire car elles se traduisent par de forts contrastes en émissivité infrarouge. A titre d’exemple, il est possible de réguler la température d’un satellite en fonction de son exposition au flux radiatif solaire en le recouvrant d’un matériau thermochrome.

 

 

Lorsque le satellite est à l’abri du rayonnement solaire, sa température chute rapidement (T < TMI) l’émissivité de la pérovskite est faible ce qui permet d’isoler thermiquement l’intérieur du satellite. Au contraire lorsque le satellite est soumis au rayonnement solaire la température augmente, le revêtement thermochrome devient fortement émissif ce qui permet d’évacuer la chaleur par rayonnement

Films de dioxyde de vanadium (VO2)

Le dioxyde de vanadium (VO2) est un matériau thermochrome ce qui signifie que ses propriétés optiques changent en fonction de la température. Ainsi à la température ambiante, il présente un état semi-conducteur et cristallise dans une structure de type monoclinique. Au-delà d’une température dite « critique » de 68 °C, la structure du matériau devient quadratique, ce qui entraine une modification de l’organisation de ses bandes électroniques. Le VO2 devient métallique et son émissivité infrarouge augmente.

Depuis 2008, la société Viessmann Faulquemont et l’Institut Jean Lamour collaborent étroitement sur la base de cette technologie thermochrome afin d’améliorer la durée de vie de des panneaux solaires thermiques tout en garantissant leur performance. Le changement de propriétés optiques d’un panneau plan à base de VO2 est présenté sur la figure suivante :

<font size="1"><i>Images thermiques du prototype d’un capteur ‘SOL PRO SELECT’ (commercialisé à l’automne 2015). Un capteur solaire thermique présente une absorption importante dans le spectre solaire mais aussi une très faible émissivité de l’ordre de 5% dans l’infrarouge moyen, ce qui est le cas lorsque le capteur est traversé par de l’eau à 18°C (image de gauche). Lorsque le capteur est traversé par de l’eau chaude à 88°C (image de droite), son émissivité augmente de 5 à 40%. La chaleur du capteur est alors évacuée sous forme de rayonnement infrarouge ce qui préserve le capteur du phénomène de surchauffe pendant les périodes de stagnation.</font></i>

Alliages à mémoire de forme

Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont des matériaux pouvant subir une transformation de phase martensitique sous l’effet d’une variation de température. Cette transformation martensitique, caractérisée par l’apparition de variantes, est réversible et dépend de nombreux paramètres aussi bien externes (température, contrainte), qu’internes (structure cristalline, longueurs internes). Les études que nous avons menées ont montré le potentiel des couches minces AMF car l’effet de la rugosité, qui affecte la dispersion de la lumière, permet de moduler la réflectance du film mince.

<font size="1"><i>A chaud la surface est très douce et la lumière réfléchie est concentrée autour de l'angle spéculaire de réflectance, et la surface apparaît brillante. Lorsque le film refroidi les variantes apparaissent et à mesure que la rugosité augmente, les réflexions deviennent de plus en plus diffuses, et la surface apparaît mate/terne.</font></i>

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