CT-scans des compacts

Deux modèles d’anode de laboratoire ont été mis en forme : une anode simple et une anode comportant deux géométries circulaires imprégnées servant à simuler un tourillon et une fente anodique (Figure 7.4). Ces deux modèles ont été mis en forme par pressage et par vibrocompactage pour un total de quatre anodes de laboratoire. Chacune des anodes produites possède une masse de 6 kg. La hauteur initiale de la pâte est connue

Ballon pressurisé

Poids mort

Table vibrante

pour les anodes pressées. Cependant, aucune instrumentation n’a été installée pour mesurer la hauteur initiale dans le cas de la mise en forme par vibrocompactage.

(a) (b) (c)

Figure 7.4 : Géométries circulaires imprégnées : (a) Vue avec coupe en V, (b) vue de dessus et (c) vue de dessous de l’anode.

Les deux modèles d’anodes pressées ont été mis en forme suivant le même programme de chargement. La presse a été contrôlée en déplacement avec un taux de 1 mm/s jusqu’à ce que la charge atteigne 4,5 MPa. Puis le piston a été retiré avec le même taux de déplacement. Les anodes mises en forme par vibrocompactage ont d’abord subi une pré-charge d’environ 6.5 kPa causée par le poids mort. Ensuite, le ballon a été pressurisé avec une pression de 0,276 MPa (40 psi). Cette pression a été maintenue dans le ballon durant les vibrations servant à la mise en forme de l’anode simple, mais retirée avant de démarrer les vibrations pour l’anode avec les géométries circulaires. La durée de la mise en forme a été de 60 s. La fréquence et l’amplitude des vibrations étaient de 10 Hz et de 3 mm crête-à-crête respectivement.

Le pressage et le vibrocompactage de la pâte d’anode a permis de former des anodes de laboratoire possédant une certaine solidité : les anodes de laboratoire ont une texture similaire aux blocs anodiques de l’industrie. Les propriétés géométriques obtenues par les deux procédés de mise en forme sont comparables. Les anodes simples possèdent une hauteur finale légèrement sous les 80 mm tandis que les anodes avec tourillon et fente anodique possèdent plutôt une hauteur supérieure à 85 mm. Le volume de pâte qui n’a pas rempli le tourillon et la fente anodique s’est redistribué sur la hauteur en la faisant augmenter. Le Tableau 7.1 présente une synthèse de la hauteur finale des anodes de laboratoire. Le Tableau 7.2 présente les sommaires des masses volumiques globales finales des anodes de laboratoire. La masse volumique globale des anodes ayant des géométries complexes est plus faible que celle des anodes simples. Ceci est principalement causé par des restrictions dans la distribution de la pâte qui sont occasionnées par les géométries circulaires. La pâte emprisonnée à l’intérieur de la fente anodique atteint une certaine densité limitant le déplacement des pistons du moule. Ceci a pour effet de limiter les contraintes auxquelles la pâte à l’extérieur de la fente anodique est exposée. Aussi, la présence de nouvelles parois augmente la surface de frottement à l’interface moule/pâte ayant pour effet de diminuer les contraintes nettes servant à la densification de la pâte. Également, la masse volumique globale des anodes pressées est très légèrement supérieure à celle des anodes vibrocompactées.

Tableau 7.1 : Hauteur finale des anodes de laboratoires.

Anodes pressées Anodes vibrocompactées Anodes simples

(sans géométrie) 78,0 mm 79,7 mm

Anodes complexes

(avec tourillon et fente anodique) 85,6 mm 87,3 mm

Tableau 7.2 : Masse volumique globale finale des anodes de laboratoires.

Anodes pressées Anodes vibrocompactées Anodes simples

(sans géométrie) 1,51 g/cm3 1,48 g/cm3

Anodes complexes

(avec tourillon et fente anodique) 1,38 g/cm3 1,36 g/cm3

La Figure 7.5 et la Figure 7.6 présentent les CT-Scans (computed tomography) des anodes simples (sans géométrie) et complexes (avec géométries circulaires) pressées et vibrocompactées. Les figures présentent (a) la cartographie de la masse volumique des anodes et (b) la cartographie des gradients de masse volumique. Des profils de masse volumique ont été ajoutés afin de mieux comparer les gradients dans les anodes pressées et vibrocompactées. Les masses volumiques et leurs gradients sont calculés à partir de la moyenne tangentielle des scans (3D). La partie gauche correspond aux anodes pressées et la partie droite aux anodes vibrocompactées. Les figures sont construites pour bien confronter les cartographies produites à partir des anodes pressées et des anodes vibrocompactées. La hauteur des CT-Scans a été uniformisée pour en faire une meilleure observation. La Figure 7.5 présente les CT-Scans des anodes simples et la Figure 7.6 présente les anodes ayant des géométries circulaires.

(a)

(b)

Figure 7.5 : (a) Masse volumique et (b) gradient de masse volumique d’une anode de laboratoire simple (sans géométrie) mise en forme par pressage à gauche et par vibrocompactage à droite.

(a)

(b)

Figure 7.6 : (a) Masse volumique et (b) gradient de masse volumique d’une anode de laboratoire (avec tourillon et fente anodique) mise en forme par pressage à gauche et par vibrocompactage à droite.

Les Figure 7.5(a) et Figure 7.6(a) illustrent la cartographie de la masse volumique des quatre anodes. L’échelle est présentée en unité de Hounsfield (HU). Cette unité est linéaire avec la masse volumique et possède un offset. La couleur bleue indique une masse volumique faible et la couleur rouge, une masse volumique élevée. Mis à part quelques artéfacts de mesure tels que les ondulations observées au haut et au bas de la partie gauche de la Figure 7.5(a) et la ligne horizontale turquoise observée dans la partie droite de la Figure 7.6(a), les cartographies confrontées (anodes simples et complexes) sont symétriquement similaires. Dans la Figure 7.5(a), la masse volumique des anodes est plus faible dans les régions centrales supérieure et inférieure. La couche centrale des anodes montre plus d’uniformité. Les variations de masses volumiques observées au cœur des anodes proviennent de la méthode de calcul utilisée pour produire ces figures. Moins de voxels (pixel en 3D) sont impliqués dans le calcul de la moyenne de la masse volumique au centre de l’anode (faible rayon) qu’à l’extérieur de l’anode (grand rayon). Dans la Figure 7.6(a), les mêmes tendances sont observées. Cependant, une masse volumique élevée se démarque au-dessus de la fente anodique. La hauteur de la pâte à cet endroit est très limitée, ce qui augmente les contraintes locales lors de la mise en forme. La section centrale des anodes, délimitée par le tourillon, montre également une densification plus prononcée de la pâte. La hauteur sous le tourillon est aussi diminuée, mais la pâte est également confinée à l’intérieur de la fente anodique, ce qui l’empêche de se redistribuer. Néanmoins, la symétrie des parties gauches et droites montre, de façon générale, de grandes similitudes.

Les Figure 7.5(b) et Figure 7.6(b) sont plus révélatrices. Elles présentent les mêmes résultats sous forme de lignes de contour afin de mieux visualiser les gradients de masse volumique. Les lignes de contour représentent les niveaux de masse volumique au même titre que les lignes d’une carte topographique représentent les différentes hauteurs du relief. L’échelle est la même que pour les Figures (a) : bleue signifie moins dense et rouge signifie plus dense. Dans la Figure 7.5(b), les courbes bleutées confirment que les régions centrales supérieures et inférieures ont une plus faible densité. Les grandes superficies blanches confirment que le centre de l’anode a une densité plus uniforme. La courbe verte montre une certaine symétrie, ce qui indique que les gradients de masse volumique de l’extérieur vers l’intérieur (verticaux) des blocs sont similaires. Cependant, ce gradient pénètre plus profondément à l’intérieur des anodes vibrocompactées (courbe jaune). Bien que la masse volumique globale de l’anode vibrocompactée soit sensiblement plus faible que celle de l’anode pressée, son cœur est légèrement plus dense selon la cartographie tirée du CT-Scan. La Figure 7.6(b) montre que les anodes ayants des géométries complexes présentent les mêmes tendances que les anodes simples. Cependant, les courbes jaunes et orangées montrent une augmentation de la densité particulièrement au-dessus de la fente anodique, mais aussi dans la région située sous le tourillon. La densité du cœur de l’anode pressée est légèrement plus élevée que celle du cœur de l’anode vibrocompactée, mais les tâches orangées situées au centre de la figure montrent bien que les anodes ont une densité plus grande au centre.

Des courbes de profils de la masse volumique ont été superposées aux Figure 7.5(b) et Figure 7.6(b). Les profils tracés correspondent à la masse volumique de l’anode qui suit l’axe des abscisses de ces petits graphiques. Les profils associés aux anodes pressées sont tracés en rouge et ceux associés aux anodes vibrocompactées sont tracés en vert. Trois profils de masse volumique sont tracés pour chacune des anodes.

Dans la Figure 7.5(b), un profil traverse le rayon de l’anode à environ mi-hauteur et deux autres profils débutent sur l’axe de symétrie au haut et au bas de l’anode en se dirigeant vers le centre avec un angle de 45°. Le profil qui passe par le rayon de l’anode montre une certaine constance. Comme il a été décrit plus tôt, des variations de la masse volumique sont plus marquées au centre de l’anode dû à la moyenne tangentielle qui se fait sur un nombre limité de voxels. Cependant, une légère diminution de la masse volumique est observée sur le pourtour de l’anode (rayon extérieur). Ces tendances sont semblables pour l’anode pressée et l’anode vibrocompactée. Les profils de masse volumique tracés à 45° montrent également une symétrie. En faisant abstraction du bruit, les courbes rouges et vertes correspondantes sont similaires. La masse volumique est plus faible en surface et augmente jusqu’à saturation vers le centre de l’anode.

Dans la Figure 7.6(b), un profil est également tracé dans le sens du rayon de façon à passer au-dessus de la fente anodique. Les deux autres profils sont tracés à 45°, mais débutent vis-à-vis des arêtes des géométries circulaires au lieu de débuter sur l’axe de symétrie des anodes. Dans ce cas-ci, les profils horizontaux montrent une augmentation de la masse volumique juste au-dessus de la fente anodique. Il y a également deux plateaux distincts qui montrent que le centre de l’anode (sous le tourillon) est plus dense que l’extérieur, mais qui montrent aussi que la densité est uniforme dans ces deux régions suivant cette ligne. Les profils tracés à 45° présentent également des tendances très comparables. Sur le pourtour du tourillon, les tendances ressemblent à celles observées pour les anodes simples. Sur le pourtour de la fente anodique, l’augmentation de la densité est moins prononcée et les gradients de masse volumique s’étendent sur une plus grande distance avant de se stabiliser. Quelques différences sont observées dans les profils de masse volumique tracés à 45°. Ceci est causé par une plus grande fragilité des anodes vibrocompactées au niveau des arêtes. Les coins s’effritent plus facilement. Les contraintes et déformations relatives au pressage de l’anode simple ont été utilisées afin d’identifier les propriétés mécaniques de la pâte de carbone. La section qui suit présente les résultats de l’identification par méthode inverse des propriétés mécaniques. Elle compare les résultats de la modélisation numérique aux résultats expérimentaux.

7.6 Résultats numériques