Modes de rupture

Les modes de rupture ont été identifiés à chaque niveau de cuisson avec et sans temps de maintien de 20 heures, et ce, tout en se référant aux courbes σ-ε des tests de rupture et au standard ASTM C39/C39M [41].

À l’état cru de l’échantillon d’anode, une rupture fragile a été constatée. Cette dernière est illustrée par une courbe linéaire jusqu’à la rupture comme montré dans la Figure 67. Au niveau de l’échantillon (Figure 68), ce mode de rupture est décrit par l’apparition d'un cône à une extrémité, suivi d’une fissuration verticale jusqu’à l’autre extrémité [41]. Cela pourrait être justifié par l’état fragile du brai de goudron à la température ambiante, ce qui permet d’attribuer le même comportement à la pâte d’anode crue.

Figure 67 Courbe σ-ε obtenue pour un échantillon d’anode cru

0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 Contr ain te d e c om p re ssi on (M P a) Déformation (mm/mm)

Figure 68 Rupture fragile obtenue à l’état cru de la pâte d’anode

Pour des cuissons allant de 200 °C à 400 °C, une rupture ductile a été observée. La Figure 69 montre des courbes σ-ε typiques obtenues pour des cuissons à 400 °C avec et sans temps de maintien de 20 heures. Pour les deux types de cuisson, le même mode de rupture a été maintenu. En effet, ces courbes mettent en évidence des zones de déformations plastiques avant que les échantillons ne se rompent. Cela est représenté, au niveau des échantillons, par des fissurations verticales entre leurs extrémités (Figure 70 (c) et Figure 71 (c)) [41]. Ce mode a été aussi obtenu pour des cuissons à 200 °C et à 300 °C avec et sans temps de maintien de 20 heures (Figure 70 (a et b) et Figure 71 (a et b)). Il pourrait être attribué à cause de la faible viscosité du brai de goudron entre 200 °C et 400 °C, ce qui fournit à la pâte d’anode un comportement viscoélastique. Cela a mis en évidence, lors du chargement mécanique, un endommagement représenté par des fissurations au niveau de la pâte d’anode. Le même mode de rupture est été obtenu pour des niveaux de cuisson similaires pour des échantillons d’anode industrielle [28].

Figure 69 Courbes σ-ε obtenues pour des cuissons à 400 °C avec et sans temps de maintien de 20 heures

Figure 70 Rupture ductile obtenue pour des cuissons avec un temps de maintien de 20 heures : (a) 200 °C , (b) 300 °C , (c) 400 °C 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 Contr ain te d e c om p re ssi on (M P a) Déformation (mm/mm)

Avec temps de maintien de 20 heures Sans temps de maintien

Figure 71 Rupture ductile obtenue pour des cuissons sans temps de maintien : (a) 200 °C , (b) 300 °C , (c) 400 °C

En ce qui concerne les niveaux de cuisson allant de 500 °C à 1100 °C (cuisson complète), une rupture fragile a été remarquée. La Figure 72 expose des courbes σ-ε obtenues pour des cuissons à 700 °C avec et sans temps de maintien de 20 heures. Dans les deux cas de cuisson, et comme décrit dans les Figure 73 (c) et Figure 74 (c), le mode de rupture n’a pas changé. Ce dernier a été aussi maintenu pour des cuissons à 500 °C, 600 °C et 1100 °C avec et sans temps de maintien de 20 heures (Figure 73 (a, b et d)) et Figure 74 (a, b et d)). Cela peut être dû à la structure cristalline du mélange brai/coke qui, sous l’effet du traitement thermique allant de 500 °C à 1100 °C, devient de plus en plus stable. À cet intervalle de température, le brai de goudron se solidifie progressivement et engendre une résistance mécanique élevée au niveau de la pâte d’anode, ce qui conduit à une rupture fragile lors du chargement mécanique.

Figure 72 Courbes σ-ε obtenues pour des cuissons à 700 °C avec et sans temps de maintien de 20 heures

Figure 73 Rupture fragile obtenue pour des cuissons avec un temps de maintien de 20 heures : (a) 500 °C , (b) 600 °C , (c) 700 °C , (d) 1100 °C 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 Contr ain te d e c om p re ssi on (M P a) Déformation (mm/mm)

Avec temps de maintien de 20 heures Sans temps de maintien

Figure 74 Rupture fragile obtenue pour des cuissons sans temps de maintien : (a) 500 °C , (b) 600 °C , (c) 700 °C , (d) 1100 °C

3.7

Analyse thermogravimétrique

Le processus de cuisson constitue une phase dans laquelle les anodes crues subissent une pyrolyse décrite par une décomposition thermochimique du matériau. Cette dernière est caractérisée par une perte de masse qui varie en fonction de la température. Dans cette section, les résultats d’analyse thermogravimétrique sont présentés.

La Figure 75 montre l’évolution de la perte de masse pour un échantillon d’anode cru de densité apparente 1.60 g/cm3. On constate que la perte de masse débute à environ 280 °C, où le brai s’est ramolli avec un faible amorçage du processus de dégagement des volatiles. Cela est en accord avec les faibles pertes de masse observées aux niveaux de cuisson de 200 °C et 300 °C (Tableau 13 et Tableau 16), où les propriétés mécaniques sont faibles. Ensuite, la perte de masse continue d’augmenter progressivement jusqu’à environ 530 °C, où la majorité des matières condensables est dégagée [31]. Cela est illustré par une phase de transition dans laquelle le brai se carbonise progressivement [10], ce qui est derrière l’augmentation progressive des propriétés mécaniques au-delà de 400 °C (Figure 65 et Figure 66). La perte de masse totale observée à la fin du test est d’environ 2.5 wt %. Il a été démontré dans des

travaux antérieurs [31, 48], que l’évolution de la perte de masse d’un échantillon d’anode s’est maintenue jusqu’à environ 950 °C où toutes les matières condensables et non condensables ont été libérées. Cela pourrait constituer l’objet de travaux futurs afin de mesurer la perte de masse jusqu’à la fin de la cuisson, de tester l’effet du taux de chauffe sur la cinétique de dévolatilisation du brai, ainsi que de suivre l’évolution des concentrations des matières condensables au cours de la pyrolyse.

Figure 75 Perte de masse d’un échantillon d’anode

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 100 200 300 400 500 600 P er te d e m asse ( w t % ) Température (°C)

Conclusion et recommandations

Conclusion

La caractérisation thermo-chimio-mécanique de l’anode de carbone a constitué l’axe principal de ce projet, vu que les résultats obtenus vont contribuer à l’alimentation du modèle numérique de cuisson qui sera développé pour prédire les propriétés de la pâte d’anode tout en simulant l’environnement réel de la cuisson.

Une synthèse globale des travaux réalisés durant ce projet de maîtrise a été réalisée. L’objectif principal de ce projet était de mener des études de l’évolution des propriétés thermo-chimio-mécaniques de la pâte d’anode lors de la cuisson. Cette dernière constitue une étape clé du procédé de production des anodes, et par laquelle, leurs propriétés finales sont déterminées.

Pour atteindre les objectifs fixés auparavant, une étude bibliographique approfondie a été effectuée afin d’examiner les travaux antérieurs traitant des matériaux carbonés. Plusieurs conclusions ont été tirées, et résumées dans les méthodes de caractérisation utilisées et les résultats expliquant les comportements thermique, chimique et mécanique observés.

La méthodologie expérimentale adoptée a débuté par la fabrication des anodes à l’échelle du laboratoire, et ce, via la méthode de compaction. Une attention particulière a été portée à la caractérisation de la densité apparente crue, géométriquement, et par CT-scan pour visualiser sa distribution dans l’échantillon d’anode. Cela a permis d’extraire l’intervalle caractéristique de la variation de la densité apparente crue (1.55-1.58 g/cm3).

Ensuite, la caractérisation thermomécanique de la pâte d’anode a été réalisée. Cette phase a connu des cuissons partielles et indépendantes aux températures allant de 200 °C à 1100 °C avec application d’un temps de maintien d’une durée de 20 heures. La perte de masse à chaque niveau de cuisson a été estimée. Il a été constaté que la perte de masse augmente progressivement pour atteindre une valeur maximale à 400 °C, puis diminue à 500 °C pour se stabiliser jusqu’à cuisson complète.

Après, les propriétés mécaniques des échantillons d’anode ont été identifiées aux différents niveaux de cuisson. Les tests ont été réalisés à des températures inférieures aux niveaux de cuisson de 25 °C à 100 °C, pour éviter le dégagement des volatiles durant les tests.

Deux techniques ont été utilisées pour la mesure du module d’Young. La première est basée sur un encodeur linéaire fonctionnant à haute température, et la deuxième utilise des jauges de déformation permettant de fournir des mesures précises à la température ambiante. Cette dernière technique a fourni, pour un échantillon d’anode cuit à 1100 °C, un module d’Young moyen de 6.2 GPa et un coefficient de Poisson moyen de 0.16.

Ensuite, les évolutions de la résistance à la rupture et de module d’Young ont été suivies à haute température. Les résultats obtenus ont mis en évidence de faibles valeurs entre 200 °C et 400 °C, intervalle, où la pâte d’anode est caractérisée par un comportement viscoélastique et par un mode de rupture ductile. Or, des valeurs élevées ont été observées à l’état cru et entre 500 °C et 1100 °C, niveaux, où le brai se solidifie, ce qui a engendré un mode de rupture fragile.

Pour réduire certaines incohérences constatées à 300 °C et à 400 °C, l’analyse a été orientée vers l’étude de l’effet du temps de maintien de température sur les propriétés de la pâte d’anode. Pour cela, des cuissons indépendantes sans temps de maintien ont été réalisées. Une comparaison avec les résultats obtenus avec un temps de maintien de 20 heures a été effectuée. Il a été conclu que la suppression de ce dernier a entraîné une diminution de la perte de masse aux niveaux de cuisson allant de 200 °C à 400 °C, et une stabilisation aux niveaux plus élevés. Également, les propriétés mécaniques ont diminué aux niveaux allant de 200 °C à 700 °C, puis, sont demeurées stables à 1100 °C. Cela a permis de constater que le temps de maintien agit fortement, aux faibles niveaux de cuisson (entre 200 °C et 400 °C), sur la dévolatilisation du brai, et aux niveaux de cuisson élevés, sur la structure cristalline de la pâte d’anode. De plus, les modes de rupture obtenus pour des cuissons avec et sans temps de maintien de 20 heures n’ont pas changé.

Finalement, l’analyse thermogravimétrique a permis de suivre en temps réel la perte de masse de l’anode pendant sa pyrolyse. Une perte de masse d’environ 2.5 wt % a été constatée

jusqu’à environ 530 °C. Cette dernière était due essentiellement au dégagement des matières condensables (HAP) du brai.

Recommandations

Cette section présente des recommandations pour des travaux futurs constituant des lignes directrices pour de nouveaux résultats pouvant enrichir la base de données expérimentales du modèle numérique de cuisson à développer.

- Réaliser des essais mécaniques pour suivre l’évolution du coefficient de Poisson à haute température afin d’étudier l’effet de la viscosité de la pâte d’anode sur la variabilité du coefficient;

- Réaliser des essais de fluage/relaxation pour mieux caractériser la viscosité de la pâte d’anode à haute température;

- Effectuer des analyses thermogravimétriques à différents taux de chauffe et niveaux de cuisson pour quantifier leurs effets sur le mécanisme de dégagement des volatiles, en plus de la détermination des concentrations des HAP libérés au cours de la pyrolyse;

- Caractériser l’expansion thermo-chimio-mécanique de l’anode de carbone durant la cuisson pour suivre l’évolution de la déformation de la pâte et identifier les intervalles caractéristiques de sa dilatation et sa contraction;

- Réaliser des tests avec des recettes d’anodes de différentes granulométries, différentes fractions de brai de goudron, et différents types de coke de pétrole pour étudier l’effet de leurs variabilités sur les propriétés finales des anodes.

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