Développement d’une sonde micro à double détection température–flux de chaleur utilisant un film mince de Pt pour des mesures transitoires jusqu’à 1400 °C.

Mesurer des chaleurs extrêmes sur les futures surfaces de vol

Lorsque des engins spatiaux ou des avions à grande vitesse traversent l’atmosphère, leur peau externe est bombardée par une chaleur intense en quelques fractions de seconde. Connaître précisément la quantité de chaleur supportée par ces surfaces est essentiel pour empêcher la défaillance des moteurs, des réservoirs de carburant et des revêtements protecteurs. Cet article présente un nouveau type de petite sonde de détection thermique capable de résister à des températures supérieures à celles de nombreuses coulées de lave et de répondre suffisamment vite pour suivre des chocs thermiques brusques, offrant ainsi un outil puissant pour concevoir des véhicules supersoniques et hypersoniques plus sûrs.

Pourquoi il est si difficile de mesurer les chaleurs extrêmes

Les surfaces des maquettes d’essais hypersoniques, des aubes de turbine et des chambres de combustion peuvent dépasser brièvement 1000 °C tout en étant sablées par des gaz à grande vitesse. Les capteurs de flux de chaleur traditionnels—des dispositifs qui mesurent la rapidité à laquelle la chaleur traverse une surface—ont du mal dans cet environnement. Les conceptions classiques sont relativement volumineuses, ce qui perturbe l’écoulement d’air autour d’elles, et leurs matériaux peuvent s’oxyder ou se ramollir, provoquant des dérives ou des pannes des mesures. Beaucoup de capteurs actuels plafonnent en dessous d’environ 1200 °C et réagissent sur des millisecondes ou plus, ce qui est trop lent et trop fragile pour les pics thermiques nets et intenses observés dans les essais modernes en soufflerie et la recherche sur les moteurs.

Un petit pilier conçu pour encaisser la chaleur

Les chercheurs ont conçu une sonde miniature basée sur un film mince de platine (Pt) enroulé autour d’un pilier en alumine (oxyde d’aluminium) de 2 millimètres de diamètre. L’alumine a été choisie parce qu’elle est électriquement isolante, mécaniquement robuste et peut supporter des températures d’environ 1600 °C. À l’intérieur de ce pilier céramique, les conducteurs électriques sont dissimulés dans des canaux étroits, ce qui protège le câblage des gaz chauds et érosifs et réduit le bruit électrique. À l’extérieur, la couche de platine est dessinée en un tracé en S pour augmenter sa longueur, accroître la sensibilité aux variations de température tout en restant confinée sur une empreinte minuscule.

Une peau protectrice qui empêche la dégradation du film

Un des défis majeurs pour les films métalliques à très haute température est que la surface peut progressivement s’agglomérer en îlots, comme l’eau perlant sur du verre, ce qui détruit leurs propriétés électriques. Pour éviter cela, l’équipe a utilisé l’impression jet électrohydrodynamique—une méthode précise proche d’un pulvérisage d’encre—pour recouvrir le platine d’une couche protectrice d’alumine sur mesure. Après traitement à haute température, ce revêtement se transforme en une forme cristalline dense et stable appelée alpha-alumine. La microscopie et les mesures par rayons X ont montré que le film de platine revêtu reste lisse et bien lié même après chauffage jusqu’à 1400 °C, tandis qu’un film non protégé développe des vides et des zones rugueuses à des températures plus basses.

Comment la sonde transforme la chaleur en signaux

Le nouveau capteur fonctionne de deux manières complémentaires. D’abord, lorsque le film de platine chauffe, sa résistance électrique augmente de façon prévisible, presque linéaire. En faisant circuler un courant constant dans le film et en suivant la variation de tension, la température de la surface peut être calculée avec une grande précision. Ensuite, en utilisant un modèle connu de conduction thermique, l’évolution temporelle de cette tension peut être convertie en évolution temporelle du flux de chaleur—le taux auquel l’énergie pénètre la surface. Des simulations numériques ont confirmé que la structure en couches de la sonde produit une relation propre et quasi linéaire entre la chaleur entrante et le signal de sortie, tandis que la contrainte de compression dans le film, maintenue par les couches d’alumine, contribue à stabiliser le platine à haute température.

Mise à l’épreuve du capteur

L’équipe a ensuite soumis la sonde à une série d’expériences. Dans un four, la résistance du film de platine a suivi la température depuis la température ambiante jusqu’à 1000 °C avec une excellente linéarité et répétabilité, et la version protégée a survécu jusqu’à environ 1440 °C—environ 50 % de plus que les films non protégés. Des essais laser comparant la nouvelle sonde à un capteur de flux de chaleur commercial ont montré un bon accord : à la puissance la plus élevée testée, le nouveau dispositif a mesuré environ 71 kW par mètre carré de flux de chaleur avec une erreur inférieure à 1,7 % de l’échelle pleine et une répétabilité meilleure que 0,6 %. Un dispositif de chauffage rapide, imitant des charges thermiques soudaines, a révélé que la sonde peut répondre en environ 0,2 milliseconde et supporter des flux de chaleur supérieurs à 3,5 mégawatts par mètre carré, avec des erreurs de température inférieures à 1 % lorsqu’elles sont vérifiées par un thermomètre infrarouge.

Ce que cela signifie pour les vols à grande vitesse futurs

En termes simples, ce travail fournit un thermomètre très petit, très robuste et très rapide qui mesure non seulement la température mais aussi l’intensité avec laquelle la chaleur frappe une surface. Parce qu’il peut survivre près de 1500 °C, réagir en microsecondes et être fabriqué en réseaux sur de petits piliers, il est bien adapté pour cartographier avec précision les charges thermiques sur les véhicules hypersoniques et les composants de moteurs. Cette capacité devrait aider les ingénieurs à concevoir des systèmes de protection thermique plus fiables et à tester de nouveaux matériaux dans des conditions extrêmes et réalistes, rapprochant la perspective d’un vol à grande vitesse plus sûr.

Citation: Wang, H., Kong, M., Wang, H. et al. Development of micro dual temperature–heat flux sensing probe using Pt Thin film for transient heat measurements up to 1400 °C.. Microsyst Nanoeng 12, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01274-5

Mots-clés: capteur de flux de chaleur, soufflerie hypersonique, film mince de platine, mesure haute température, céramique en alumine