Voir la source de Analyse thermomécanique

{{voir homonymes|ATM}}

L''''analyse thermomécanique''' ou ATM ({{en anglais|thermomechanical analysis}}, TMA) est une [[technique]] d'[[analyse thermique]].

L'analyse thermique est une série de techniques qui [[mesure physique|mesure]] les propriétés [[physique]]s ou [[Chimie|chimiques]] d'un [[matériau]] en fonction de la [[température]], du [[Temps (physique)|temps]] et de l'atmosphère.

== Principe général ==
L'analyse thermomécanique mesure de façon précise les changements dimensionnels d'un [[Échantillon (matière)|échantillon]] en fonction de la température, du temps, et de la [[force (physique)|force]] constante appliquée.

Les [[transition de phase|transitions]] éventuelles d'une substance peuvent être détectées<ref name="not1">R. Bourgeois, H. Chauvel et J. Kessler, ''Mémotech Génie des matériaux'', {{p.|79}}, 76, éd. Casteilla, Paris, 2001 {{ISBN|2-7135-2246-3}}.</ref>. Les [[matière plastique|plastiques]] [[matière amorphe|amorphes]], par exemple, ont généralement plusieurs transitions.

Les [[instrument de mesure|appareils]] d'ATM enregistrent en continu la [[déformation d'un matériau|déformation]] d'une substance, sous charge fixe, pendant qu'elle est soumise à un programme de température contrôlé.

La '''[[dilatation thermique|thermodilatométrie]]''', d'autre part, mesure les changements dimensionnels d'une substance en fonction de la température sans appliquer de force. Pour cette technique, il est possible de calculer la courbe [[dérivée]] de la fonction :
:<math>{\Delta L \over L_0} = f (T)</math>
avec :
:<math>\Delta L\,</math>, l'augmentation de longueur ;
:<math>L_0</math>, la longueur initiale de l'échantillon ;
:<math>T</math>, la température,
ce qui permet de déterminer le [[coefficient de dilatation]] linéaire (ou linéique) ''α'' (aussi noté ''α''{{ind|L}}).

Des accessoires fournis avec les appareils de TMA permettent d'accéder au coefficient de [[dilatation thermique|dilatation]] volumique <math>k</math> (aussi noté <math>\alpha_V</math> ou <math>\beta</math>). Pour un matériau isotrope<ref name="not1" /> :
:<math>k = 3 \ \alpha</math>.

Note : la dilatation thermique des matériaux est inversement proportionnelle à leur rigidité<ref>R. Deterre et G. Froyer, ''Introduction aux matériaux polymères'', {{p.|106-107}}, Tec & Doc Lavoisier, Paris, 1997 {{ISBN|2-7430-0171-2}}.</ref>. Les plastiques ont ainsi des coefficients de dilatation élevés comparativement aux [[métal|métaux]].

== Exemple : mesure des transitions vitreuses ==
La [[transition vitreuse]] s'observe fréquemment pour les [[polymère]]s. Ce phénomène s'accompagne en particulier d'une augmentation du volume libre, donc du coefficient de dilatation.

Le coefficient de dilatation thermique (''{{lang|en|coefficient of thermal expansion}}'', CTE) variant brusquement au voisinage de la [[température de transition vitreuse]], ''T''{{ind|v}}, des polymères, il sera possible de déterminer en TMA la température de cette transition<ref>Comme on le fait en [[calorimétrie différentielle à balayage|DSC]] (une technique d'analyse thermique complémentaire) en utilisant la variation de la [[chaleur spécifique]] ''C{{ind|p}}''.</ref>.

Pour un polymère donné, le coefficient ''α'' mesuré à une température supérieure à la transition vitreuse est environ trois fois plus élevé que celui mesuré à l'[[verre|état vitreux]]<ref>G. Lachenal, Bull. Scient. sur la TMA, {{p.|1}}, Laboratoire d'études des matériaux plastiques et des {{nobr|biomatériaux {{II}}}}, [[Université Claude-Bernard-Lyon-I|UCBL]], Villeurbanne, 1984.</ref>.

L'exemple de la figure suivante illustre l'évolution de la longueur en fonction de la température pour un [[élastomère]] : le [[néoprène|polychloroprène]]. On observe par ailleurs une zone de [[fusion (physique)|fusion]] (''T''{{ind|F}}) révélant la présence de zones [[structure cristalline|cristallines]].
[[Image:TMA Neopren.gif|vignette|300px|Thermogramme d'un polychloroprène, obtenu par analyse thermomécanique.]]
Note : pour ce polymère, dans la [[Analyse mécanique dynamique#Influence de la température sur les propriétés mécaniques d'un matériau viscoélastique|région caoutchoutique]], la dilatométrie a permis de mesurer ''α''{{ind|caout}} = {{unité|200 e–6 °C–1}}.

== Description succincte d'un appareil TMA ==
L'appareil comprend donc<ref>Des ordres de grandeurs sont indiqués entre parenthèses.</ref> :
* un four (de volume assez faible en général) régulé, programmé (vitesse de chauffe de {{nb|0.01 à 100 °C/min}} ; gamme de {{tmp|-150|°C}} à +{{tmp|1000|°C}}) muni d'un [[thermocouple]] placé près de l'échantillon ;
* un [[capteur]] de déplacement ([[Qualité métrologique des appareils de mesure#Sensibilité|résolution]] en [[Mètre#Multiples et sous-multiples du mètre|nanomètres]]) approprié, de type [[induction électromagnétique|inductif]] ([[Linear Variable Differential Transformer|LVDT]]), pour mesurer la variation dimensionnelle de l'échantillon (domaine de mesure de ±{{unité|5|mm}} ; longueur de l'échantillon jusqu'à {{unité|20|mm}}) ;
* un système contrôlant l'application de la force transmise (gamme de ±{{unité|1|[[Newton (unité)|N]]}} ou plus) par la sonde (ou palpeur) de mesure de déplacement à l'échantillon ;
* un système de [[traitement du signal]] résultant ;
* un système d'évaluation des données ; un graphe est produit.
Il est possible de travailler sous [[atmosphère contrôlée]] ([[inerte]] ou [[Réaction d'oxydoréduction|oxydante]]) ou sous [[Chambre à vide|vide]].
[[Image:Thermomechanical analyzer.png|vignette|300px|Schéma de principe d'un analyseur thermomécanique TMA.]]

== Modes de mesure ==
Les sondes de mesure et les supports d'échantillon sont généralement en [[quartz (minéral)|quartz]]<ref>Le coefficient de dilatation linéaire de ce minéral est extrêmement faible : ''α'' = {{unité/2|0.59|e=–6|°C|–1}}.</ref>. La géométrie de ces pièces impose un mode de mesure. Les modes possibles sont les suivants :
* ''expansion'' (sonde utilisée sans force sur l'échantillon) pour la détermination de coefficient de dilatation en dilatométrie ;
* ''pénétration'' ; une forte [[Tenseur des contraintes|contrainte]], créée par une forte force appliquée par une sonde de faible diamètre, augmente la contribution de la pénétration par rapport à l'expansion ;
* ''[[essai de traction|traction]]'' (échantillon fixé par deux petites pinces) pour l'étude de films ou de [[fibre]]s sous traction ;
* ''[[flexion (matériau)|flexion]] trois points'' (montage composé d'appuis en forme de couteau) ;
* ''expansion volumique'' (montage composé d'un creuset et d'une sonde à fond plat) pour l'étude de la dilatation des [[poudre]]s, par exemple.
Pour les modes en pénétration et en flexion, une contrainte plus importante est imposée à l'échantillon.
[[Image:TMA modes.png|vignette|300px|Modes d'investigation courants en TMA.]]

== Analyse DMA/TMA ==
La TMA peut être couplée à la [[Analyse mécanique dynamique|DMA]] : l'analyse DMA/TMA simultanée disponible sur certains appareils de DMA permet par exemple l'étude de la transition vitreuse par les deux techniques tout en mesurant la dilatation thermique de l'échantillon polymère par TMA.

== Technique TMAD ==
Une autre technique dérivée, la TMA [[système dynamique|dynamique]] ou TMAD (en anglais DTMA ou DLTMA, ''{{lang|en|dynamic load}}'' TMA), applique une contrainte [[signal sinusoïdal|sinusoïdale]] ([[fréquence]] jusqu'à {{unité|1|Hz}}) ainsi qu'une rampe de température linéaire à l'échantillon, et mesure la déformation sinusoïdale résultante.

Les facteurs externes, tels la [[vitesse de balayage]] en température ainsi que la fréquence de la sollicitation [[mécanique (science)|mécanique]], affectent la température de transition vitreuse d'un polymère.

La technique TMAD permet d'accéder au [[module de Young]] et peut détecter les faibles transitions secondaires d'un polymère.

== Applications ==
Voici une liste non exhaustive :
* mesure du coefficient de dilatation en dilatométrie ;
* détection des transitions (transition vitreuse, ramolissement, [[fusion (physique)|fusion]], décomposition{{etc.}}) ;
* tenue thermomécanique ;
* gonflement ;
* [[fluage]] (déformation {{refnec|en partie}} [[réversibilité thermodynamique|irréversible]] d'un matériau mesurée en fonction du temps sous charge appliquée constante) ;
* contrôle de [[revêtement (technique)|revêtements]] ;
* température de [[frittage]] (de [[céramique]]s, par exemple) ;
* en TMAD : comportement viscoélastique ; suivi de [[réticulation]] de [[Résine (constituant)|résines]] [[thermodurcissable]]s ou contrôle de [[matériau composite|matériaux composites]] finis ;
* établissement de l'[[équation d'état pvT]], utilisée en particulier en [[Moulage par injection|injection plastique]].

== Notes et références ==
{{Références}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Transition de phase]]
* [[Coefficient thermique]] • [[Coefficient de dilatation]]

=== Lien externe ===
* {{en}} [http://www.ttc.bayermaterialscience.com/bpo/bpo_ttc.nsf/id/Thermo_mechanical_analysis Méthodes d'analyse, dont la TMA]

{{Palette|Analyse thermique|Essais thermomécaniques sur les matériaux|Analyse volumétrique}}
{{Portail|matériaux|chimie|physique}}

[[Catégorie:Analyse thermique]]
[[Catégorie:Mesure physique]]
[[Catégorie:Instrument de mesure de longueur]]
[[Catégorie:Essai mécanique]]