1.3 Pré-traitements oxydants et dépôt d’étain à partir
de précurseurs liquides . . . 68 1.4 Prévention des risques et sécurité . . . 72
2 Techniques de caractérisation . . . . 74
2.1 Caractérisations liées aux aspects particulaires . . . 74 2.2 Caractérisation des nanotubes et des dépôts . . . . 83 2.3 Caractérisations électrochimiques . . . 89
1 Installations expérimentales
1.1 Etude du lit fluidisé à température ambiante 59
Chapitr
e
2
1
Installations expérimentales
1.1
Etude du lit fluidisé à température ambiante
1.1.1 Dispositif expérimental
Pour l’étude du comportement hydrodynamique des nanotubes de car-
bone, une colonne en verre1a été utilisée, permettant de visualiser les écou-
lements. Elle mesure 100 cm de hauteur pour 1 cm d’épaisseur et 5 cm de
diamètre interne dcol. Le distributeur2 est constitué d’une plaque perforée
en acier associée à une toile. Une boite à vent3 en verre permet d’homogé-
néiser le débit sur la section droite du distributeur, l’arrivée du gaz de flui- disation se situant à l’extrémité basse, en position axiale. Elle possède une
prise de pression4en dessous du distributeur qui est connectée à un capteur
de pression différentielle (Unik 5000, GE MEASUREMENT & CONTROL,
0−70 mbar). La deuxième prise de pression du capteur se situe à l’air am-
biant et l’acquisition du signal est réalisé sur un PC équipé du logiciel Da- syLab. Le dispositif expérimental est représenté sur la figure 2.1.
Une caméra haute définition (ECO 655, SVCAM – objectif NIKOR 50 mm) a été disposée sur un trépied face à la colonne pour enregistrer les fluctuations de hauteur du lit de nanotubes, à une cadence de 10 images/s.
De l’azote de haute pureté (Alphagaz 1, 99,999 %, AIR LIQUIDE) a été uti- lisé comme gaz de fluidisation dans ce dispositif. L’alimentation est régulée
par un débitmètre massique5(MFC) (FC7710CD, AERA, débit maximum de
20 slm) relié à un contrôleur électronique et précédé d’un détendeur et d’un manomètre de Bourdon (PI).
Une trompe d’extraction, placée au dessus de la colonne, recueille la phase gaz et la filtre à travers une cartouche filtrante HEPA13 (ALCATEL), le gaz est ensuite évacué vers le réseau d’air vicié du laboratoire.
1.1.2 Protocole opératoire
Le lit de poudre de masse mlit est introduit par la partie haute de la co-
lonne à l’aide d’un entonnoir. L’étude des nanotubes de carbone bruts de synthèse a été réalisée avec un lit de 15 g correspondant à une hauteur de lit
initiale égale à 10 cm, soit H0/dcol =2. Ce rapport a été pris le plus proche
possible de celui utilisé dans l’installation expérimentale de dépôt de sili- cium, décrite au paragraphe 1.2.
Chapitr e 2 PI MFC azote extraction ΔP 1 2 3 4 5
1 Installations expérimentales
1.1 Etude du lit fluidisé à température ambiante 61
Chapitr
e
2
Après chaque dépôt de silicium, un échantillon a également été étudié en fluidisation à température ambiante. Sa masse a été choisie de façon à
conserver un rapport H0/dcol = 2. Du fait de l’augmentation de masse vo-
lumique du lit, elle était comprise entre 25 g et 53 g.
Le débit de gaz a été imposé par paliers successifs de 30 s, croissant de 0 à 14 slm puis décroissant. Une fluidisation initiale de 60 s à un débit de 6 slm a été imposée, afin d’homogénéiser la poudre au sein du lit.
Après l’expérience, l’ensemble [colonne - distributeur - boite à vent] est désolidarisé de son support et basculé pour récupérer le lit de poudre. Chaque lot est pesé avant et après l’expérience de fluidisation. La colonne est nettoyée à sec après chaque expérience, le distributeur est contrôlé et la toile est changée après 5 expériences, de manière à éviter un encrassement progressif.
1.1.3 Définition des critères de l’étude
Le comportement hydrodynamique des nanotubes de carbone a été ana- lysé avec les critères suivants :
Diagramme de perte de charge
La perte de charge subie par le gaz à la traversée du lit renseigne sur l’aptitude de la poudre à fluidiser. A la mesure tirée du capteur de pression
différentielle∆P doit être soustraite la contribution du distributeur ∆Pd, qui
a été mesurée séparément avec une colonne vide et pour différentes vitesses de gaz :
∆Plit =∆P−∆Pd (2.1)
La perte de charge normalisée∆P∗ est alors tracée en fonction de la vitesse
superficielle du gaz dans la colonne à débits croissants et décroissants.
Vitesse minimale de fluidisation
La vitesse minimale de fluidisation a été déterminée graphiquement par la méthode de Davidson et Harrison (1963). Sur le diagramme de perte de
charge, à débit décroissant, Um f est situé à l’intersection des deux sections
Chapitr
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2
Expansion du lit
FIGURE2.2–Prise de vue de la caméra avant la mesure de l’expansion du lit.
La hauteur Hx,t du lit est mesu-
rée par une détection de seuil de luminosité, appliquée à une zone large de 80 % du diamètre de la colonne pour ne pas prendre en compte les bords où l’image est dé- formée par la courbure de la co- lonne (figure 2.2). Un code de cal- cul MatLab a été employé pour au- tomatiser la détection du seuil sur la totalité des images de la vi- déo, puis des statistiques sur la hauteur ont été réalisées. Premiè-
rement, une moyenne Ht et écart-
type σHt sur la largeur de chaque
image a été calculée. Ensuite, des moyennes temporelles de Ht, notée
H, et de l’écart-type σHt, notée ∆H
et représentant les fluctuations de hauteur moyenne, ont été calculées pour chaque palier de vitesse p de 30 s (équations 2.2 et 2.3). Seules les images comprises entre les temps
tp +15 s et tp +25 s, soit 100 images par palier, ont été sélectionnés afin
d’éviter les périodes de transition de vitesse.
H = 1
100tp+156
∑
t6tp+25Ht (2.2)∆H = 1
100tp+156
∑
t6tp+25σHt (2.3)L’expansion est la hauteur moyenne H normalisée par la hauteur du lit
fixe H0:
H∗ = H
H0
(2.4)
Perte de masse par élutriation
Lors de la fluidisation, les particules les plus fines peuvent être entraî- nées par le gaz – ce phénomène est appelé élutriation – conduisant à une
1 Installations expérimentales