Cas simples : anodes de référence

Nous avons choisi comme anode de référence, un barreau de graphite percé et rempli avec un seul élément de remplissage (poudres de nickel, d’yttrium ou de graphite (φ=100 µm)) afin d’étudier son influence sur l’érosion de l’anode (région A) et les caractéristiques du plasma (région B) associées sans nous intéresser dans un premier temps à la morphologie des produits carbonés obtenus avec ces anodes. En effet, rappelons que la synthèse des SWCNTs est favorisée par l’utilisation d’un mélange de catalyseurs bimétalliques (e.g. Ni/Y, Ni/Co, Fe/Ni, Rh/Pd) [Wa2].

Les anodes de référence que nous avons définies dans nos conditions expérimentales sont les suivantes :

- Anode en graphite pur

- Anode (0.6%at Y; 99.4%at graphite) - Anode (0.6%at Ni; 99.4%at graphite) - Anode (0.6%at Fe; 99.4%at graphite) - Anode (0.6%at Co; 99.4%at graphite)

Quelques caractéristiques physiques des différentes poudres de remplissage utilisées ainsi que les taux d’érosion moyens des anodes associées et ceux disponibles dans la littérature sont consignées dans le tableau IV-1.

Nous avons effectué ces mesures préliminaires sous les mêmes conditions: I=80A ; p=60kPa (Hélium) ; d= 5 mm ; V=60l.

Matière de remplissage Conductivité thermique (W/(m.K à 300 K)) [Ro-1] Résistivité électrique (10-8 _{Ω.m à 300 K)} [Ro-1] p (kW) ττττérosion (mg/s) Présence des différents dépôts

0.6%at Yttrium 17.2 59.6 ~2.6 40 K, C, S: oui

W: non

0.6%at Fer 80.2 9.98 ~3 6.5

[Pa-1]

W, C, S: Non K: oui

0.6%at Nickel 90.7 7.2 ~3 5 W, C, S: Non

K: oui

0.6%at Cobalt 100 6.24 ~3 4 W, C, S: Non

K: oui 100%at Gaphite ⊥ plans graphènes: 5.7

// plans graphènes: 1950

⊥ plans graphènes: 980 // plans graphènes: 4100

~3 3 W, C, S: Non

K: oui

Tableau IV-1 : caractéristiques physiques des poudres de remplissage considérées et les taux d’érosion des anodes associées. Les puissances mentionnées sont des valeurs moyennes

1.1 Taux d’érosion moyen

L’érosion en présence du nickel, du cobalt ou du fer est faible et uniforme. En revanche, l’utilisation de l’yttrium entraîne une érosion rapide et non-uniforme. Ceci occasionne des instabilités plus ou moins importantes de l’arc dont les origines proviennent du fait que l’anode est constituée de plusieurs parties dont les propriétés physico-chimiques sont différentes. Le tableau IV-1 permet de faire le commentaire suivant :

L’érosion est la conséquence de deux phénomènes : i) l’accumulation de l’énergie plus ou moins importante à la surface de l’anode pour des faibles valeurs de la conductivité thermique qui entraîne une augmentation locale de la température à la surface de l’anode provoquant une érosion rapide, et ii) l’effet Joule qui est d’autant plus important que la résistivité électrique est élevée. Ce sont les raisons pour laquelles la vitesse d’érosion en présence de l’yttrium est élevée (conductivité thermique faible et résistivité électrique élevée) et faible en présence des éléments dont la conductivité thermique est élevée et la résistivité électrique faible (graphite, nickel,..).

En outre, l’yttrium est un élément très combustible et facilement inflammable [At-1], ce qui contribue également à l’augmentation de la vitesse d’érosion de l’anode.

1.2 Caractéristiques du plasma : Profils de température, de concentration de C2 et de CI

Nous avons reporté sur les figures IV-1, IV-2 et IV-3 les profils radiaux de la température et des concentrations de C2 et du CI respectivement pour quelques anodes de références dont les

éléments de remplissage présentent des propriétés physico-chimiques différentes à savoir :

- 0.6%at Ni; 99.4%at graphite - 0.6%at Y; 99.4%at graphite - graphite pur (φ=100µm)

Figure IV-1 : Profils de température pour trois

Figure IV-2 : Profils de densité de C2 pour trois types d’anode: 99.4%at graphite/

0.6%at Y, graphite/ 0.6%at Ni et graphite pur

Figure IV-3 : Profils de densité de CI pour trois types d’anode: 99.4%at graphite/

nC2 (1021.m-2). L

Comme on peut le constater, les caractéristiques du plasma dépendent fortement du phénomène d’érosion de l’anode. On observe un refroidissement du plasma en présence des catalyseurs. D’une façon générale, deux mécanismes sont à l’origine de ce refroidissement :

1- les pertes radiatives dues à la présence des vapeurs de carbone et de catalyseurs dont les potentiels d’ionisation sont relativement faibles (11.26 eV pour le carbone, 7.63 eV pour le nickel et 6.21 eV pour l’yttrium contre 24.58 eV pour l’hélium). Elles sont d’autant plus importantes que le taux d’érosion de l’anode est élevée.

2- l’élargissement de la zone de conduction électrique dû à la conductivité électrique importante en présence des catalyseurs et du carbone en raison de leur potentiel d’ionisation faible par rapport à celui de l’hélium (gaz plasmagène).

1.2.1 En présence d’yttrium

On assiste dans ce cas à une décroissance monotone de la température avec un gradient de température de 2500K à 1mm près de l’axe de la décharge associé à une température axiale de l’ordre de 5000K. Le profil subit des instabilités à partir de r=1mm jusqu’à la périphérie de la décharge en raison de l’érosion non uniforme dans ce cas.

Le profil de concentration de C2 décroît d’une façon monotone jusqu’à r=1.5mm pour enfin

subir une montée jusqu’à la périphérie de l’arc. La concentration de CI est la plus importante parmi les trois cas envisagés ( en moyenne ~1021/m3) avec un écart pouvant atteindre trois ordres de grandeurs en comparaison avec les autres cas étudiés.

1.2.2 En présence du Nickel ou du graphite

Les phénomènes d’instabilités sont nettement moins prononcés lors de l’utilisation d’éléments dont les conductivités thermiques sont relativement élevées notamment dans le cas des anodes remplies avec du nickel ou du graphite pur. L’érosion dans ces cas est uniforme. Ceci génère un plasma d’arc relativement stable dans le temps. Les profils de température décroissent d’une façon relativement monotone tout au long du rayon de la décharge avec un gradient de ~1800K à 1mm près de l’axe de la décharge. Les concentrations de C2 associées à ces deux

cas sont constantes tout au long de la décharge et correspondent à une valeur moyenne de l’ordre de 1,5.1021/m2. Les profils de concentration du CI présentent un maximum de 1020/m3