Caractérisation de la décomposition du matériau énergétique

CHAPITRE IV : Caractérisation et validation des

3 Caractérisation de la décomposition du matériau énergétique

Dans cette section nous présentons la caractérisation de la réaction de décomposition du matériau énergétique et nous validerons son initiation en couche mince.

Pour caractériser une réaction chimique, plusieurs méthodes sont classiquement utilisées : 1. La mesure par TGA (Thermogravimetric Analysis) qui permet d’accéder au profil de

la décomposition du matériau énergétique (% de masse) en fonction de la température. 2. Les mesures de DSC (Differential Scanning Calorimetry) ou TDA (Differential

Thermal Analysis), permettant de calculer expérimentalement les énergies de réactions (exothermiques ou endothermiques).

3. Enfin des mesures de XRD (X-Ray Diffraction) ou spectrométrie de masse permettant de déterminer les espèces issues de la décomposition.

Ces trois méthodes seront donc utilisées par notre partenaire LCC pour caractériser la réaction de décomposition du matériau énergétique.

Enfin, afin de vérifier la capacité du matériau énergétique choisi à se décomposer en couche mince, nous procéderons à des essais d’initiation et de décomposition lorsque le matériau énergétique est déposé sur une plate-forme chauffante PYRACT.

1. TGA

Cette méthode de caractérisation consiste à déterminer la variation de masse d’un matériau en fonction de la température. Pour ce faire, le matériau à caractériser est déposé dans un creuset ; sa masse est mesurée précisément pour des températures comprises entre 20°C et 600°C. Elle est utilisée principalement pour mesurer les températures de dégradation de matériaux, le point de décomposition des explosifs, entre autres…

Des mesures de TGA ont été réalisées pour mesurer la perte de masse du matériau énergétique en fonction de la température (de 20°C jusqu’à 600°C) [2]. La Figure 9 montre une décomposition brutale du matériau énergétique lorsque la température atteint 223°C. Cette courbe montre une perte de masse de 66% quand le gaz est libéré. Cela indique qu’il reste après réaction un résidu solide du 34% du matériau énergétique. On note que la réaction est brutale à Ti et que donc notre modèle (pour T<Ti : mg = 0, pour T≥Ti : mg = ms) est

Chapitre IV : Caractérisation et validation des modèles de conception

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Figure 9. Mesure thermogravimétrique (TGA) pour la décomposition du matériau énergétique.

2. Mesure par DSC

Cette méthode de caractérisation consiste à mesurer la quantité de chaleur nécessaire pour incrémenter la température de deux échantillons : une référence (avec une capacité calorifique connue) et le matériau à caractériser, qui peut subir des transformations physiques exothermiques ou endothermiques avec l’augmentation de la température (changement de phase, décompositions…). Pendant l’expérience, la différence de chaleur fournie sur les deux échantillons pour les maintenir à la même température donne l’information sur la chaleur absorbée ou générée (dans notre cas générée) par l’échantillon à caractériser.

Des mesures de DSC ont été réalisées sur le matériau énergétique pour mesurer l’enthalpie de décomposition (ΔH). Pour ce faire le matériau énergétique est inséré dans un creuset et chauffé jusqu’à 500°C. Les mesures obtenues montrent un pic exothermique à T=223°C. Par intégration de ce pic, l’enthalpie de réaction est calculée à 333,5J/g. Ce qui est relativement faible par rapport aux propergols qui ont des enthalpies de réaction entre 0,96 et 1,4kJ/g.

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Figure 10. Mesure DSC pour la décomposition du matériau énergétique. 3. Analyse des gaz

Les gaz de décomposition ont été analysés par spectrométrie de masse.

Cette méthode de caractérisation consiste à mesurer le rapport masse/charge des ions qui interagissent avec l’échantillon à mesurer. La trajectoire de ces ions est modifiée par un aimant permanent selon le rapport masse/charge, ce qui permet de connaître la présence de certain type de molécules dans l’échantillon à partir d’un banc de spectres.

Les mesures effectuées sur les gaz de décomposition du matériau énergétique donnent trois rapports de masse/charge : 32, 28 et 18, correspondant aux O2, N2 et vapeur de H2O respectivement.

Par contre l’analyse des résidus métalliques n’a pas été encore faite mais sera réalisée d’ici la fin du projet par analyse XRD.

4. Initiation sur plate-forme PYRACT

Des études antérieures menées dans le cadre de travail sur la micro propulsion ont montré que certains matériaux énergétiques comme la Nitrocellulose, performants en milieu confiné présentaient des difficultés voire des impossibilités d’allumage en couche mince, à pression atmosphérique. Il est donc important de caractériser l’allumage de notre matériau énergétique en couche mince sur la plate-forme chauffante et à l’ambiante (non confiné). Pour ce faire, nous avons déposé le matériau énergétique (une goutte) suivant la méthode d’injection décrite au chapitre III sur les plates-formes chauffantes fabriquées.

Pour ce test, on utilise une plate-forme chauffante avec une membrane diélectrique de 500μm×500μm. La plate-forme chauffante a été caractérisée thermiquement par la caméra IR. La courbe d’échauffement Tmax en fonction de la puissance électrique est donnée sur la Figure 8.

Le premier test consiste à appliquer une tension électrique croissante. Et nous mesurons la quantité de matériau énergétique décomposé pour les différentes puissances correspondantes.

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La quantité de matériau décomposé est visible car après dégagement des gaz il reste des résidus noir sur la membrane (voir Figure 11 : les cercles représentent le rayon d’initiation du matériau énergétique). Ces tests montrent qu’il n’y a pas de combustion soutenue du matériau énergétique. En effet, seul le volume du matériau énergétique qui a atteint 223°C se décompose et génère des gaz. Si on arrête le chauffage, la réaction s’arrête.

Nous observons que le matériau énergétique commence à se décomposer quand nous appliquons une puissance de 52mW. Selon les courbes de caractérisation IR, cela correspond à une température proche de 225°C, ce qui correspond à la température d’initiation mesuré du matériau énergétique par ATG et DSC.

Chapitre IV : Caractérisation et validation des modèles de conception

Figure 11. Photos de la décomposition du matériau énergétique en fonction de la puissance électrique (courant appliquée).

Le deuxième test consiste à appliquer un échelon de puissance et à mesurer la masse de matériau énergétique décomposée.

Pour ce faire, le matériau énergétique est déposé (1 gouttes) sur les deux types de plates- formes chauffantes et trois niveaux de puissance sont appliqués à partir du modèle de l’actionneur (voir section 5.1 du chapitre II):

i=0mA i=34mA i=35mA i=37mA

i=41mA i=46mA i=50mA i=52mA

i=56mA i=58mA i=60mA i=62mA

Chapitre IV : Caractérisation et validation des modèles de conception __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ - 140 - Niveau de puissance (mW) Diamètre de matériau énergétique brulé (μm) Plate-forme L=500μm Diamètre de matériau énergétique brulé (μm) Plate-forme L=1mm Puissance minimal L=500μm (62mW) Expérimentale = 248 Théorique = 211 (erreur 18%) Expérimentale = 514 Théorique = Pas d’initiation Puissance minimal L=1mm (75mW) Puissance moyenne L=500μm (75mW) Expérimentale = 280 Théorique = 271 (erreur 3%) Expérimentale = 586 Théorique = 364 (erreur 38%) Puissance moyenne L=1mm (85mW) Expérimentale = 312 Théorique = 308 (erreur 1%) Expérimentale = 610 Théorique =490 (erreur 20%)

Tableau 2. Test de décomposition du matériau énergétique sur les deux plates-formes chauffantes et sous un échelon de puissance

Ces tests montrent une réduction de l’erreur entre la théorie et l’expérimentation quand on augmente la puissance électrique. Avec 100mW nous avons une erreur d’environ 5% sur le rayon d’initiation du matériau énergétique.

Concernant la puissance minimale pour déclencher la décomposition du matériau énergétique, des tests expérimentaux indiquent qu’une puissance minimale de 52mW est nécessaire sur la plate-forme chauffante de 500μm×500μm (16% d’erreur par rapport au model théorique) et 60mW sur la plate-forme de 1mm×1mm (20% d’erreur par rapport au modèle théorique).

4 Caractérisation de la déformation de la membrane

Dans le document Conception, simulation et réalisation d'un micro actionneur à base de matériau énergétique pour l'actionnement microfluidique (Page 141-147)