Study and numerical modeling of heat transfers and transformations during the carbonization of precursor fibers

Etude et modélisation numérique des transferts de chaleur et des transformations lors de la carbonisation de fibres de précurseur

Baptiste Bouyer (1)

1 LTeN - Laboratoire de Thermique et d’Energie de Nantes

During this work, the thermophysical properties of the viscose strand as well as their evolution during carbonization have been studied. ATG and DSC thermal analyzes have made it possible to identify the apparent thermal capacity of the strand and the heat sources linked to transformations of the precursor. The comparison of the ATG analysis, measurements of the shrinkage and the evolution of the diameter of the fibers then made it possible to determine the evolution of the linear density and the density of the strand. The radiative properties of the viscose strand were also measured at different stages of carbonization. A device for measuring the effective longitudinal thermal conductivity of the strand has been developed, built and used to characterize the evolution of the thermal conductivity of the strand during carbonization. A finite element numerical model of the carbonization process has been developed, using the previously measured properties and the measurements carried out on the laboratory furnace: the velocity profile of the nitrogen flow in the furnace as well as the wall temperature profile. This model has been validated with temperature measurements made at the core of the strand during carbonization. Heat transfers during the carbonization of precursor fibers have been finally studied using the developed numerical model.

Au cours de ces travaux, les propriétés thermophysiques du toron de viscose ainsi que leurs évolutions pendant la carbonisation ont été étudiées. Des analyses thermiques ATG et DSC ont ainsi permis d’identifier la capacité thermique apparente du toron et les sources de chaleur liées aux transformations du précurseur. Le rapprochement de l’analyse ATG, mesures du retrait et de l’évolution du diamètre des fibres ont ensuite permis de déterminer l’évolution de la masse linéique et de la masse volumique du toron. Les propriétés radiatives du toron de viscose ont également été mesurées à différents stade de carbonisation. Un dispositif de mesure de conductivité thermique longitudinale effective de toron à été développé, réalisé et utilisé pour caractériser l’évolution de la conductivité thermique du toron au cours de la carbonisation. Un modèle numérique par éléments finis du procédé de carbonisation à été réalisé, en utilisant les propriétés précédemment mesurées et les mesures de vitesse de l’écoulement d’azote dans le four et du profil de température à la paroi réalisées sur le four de carbonisation de laboratoire. Ce modèle a été validé avec des mesures de températures réalisées au coeur du toron au cours de la carbonisation. Les transferts de chaleur lors de la carbonisation de fibres de précurseurs ont finalement été étudiés à l’aide du modèle numérique développé.

Mots clés: Carbonization; carbon fibers; heat transfers; convection; radiation

Mots clés: Carbonisation; fibres de carbone; transferts de chaleur; convection; rayonnement

Domaines: Thermique [physics.class-ph]

Baptiste Bouyer. Etude et modélisation numérique des transferts de chaleur et des transformations lors de la carbonisation de fibres de précurseur. Thermique [physics.class-ph]. Université de Nantes (UN), 2020. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03000665⟩