Paramètres de synthèse par combustion 12 

Il y a plusieurs paramètres dans la synthèse par combustion qui influencent la réaction tels que la température d'allumage, la pression du gaz, la densité des réactifs sous la forme d'un compact, etc. Les principaux paramètres sont décrits dans les paragraphes suivants.

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1.4.2.1 Taille de particule

La taille des particules des réactifs est l'un des paramètres les plus importants dans la synthèse par combustion. Les particules fines augmentent le taux de réaction et la température pendant la réaction [23, 24]. En outre, la taille des particules influe directement sur la taille des grains des produits finaux. La Figure 1-6 montre l'effet de la taille des particules sur le taux de réaction dans la synthèse par combustion. Ces courbes sont obtenues pour la réaction entre titane et carbone; en particulier, les courbes sont calculées pour trois tailles de particules de carbone. Trois régions sont représentées dans ce diagramme: I, région cinétique où le mode contrôlé en diffusion est dominant et la vitesse indépendante de r0 (taille de la particule de

composant métallique); II, la région de transition où V diminue considérablement à mesure que r0 augmente; III la région capillaire, où la dépendance de V sur r0 est relativement faible.

Dans ce cas, la température de combustion et la vitesse de propagation de l’onde de combustion diminuent avec l’augmentation de la taille des particules de Ti (composant de fusion).

Figure 1-6. L'effet de la taille des particules de métal (r0) et non-métallique (rr) sur le taux de

réaction (V) [24].

1.4.2.2 Densité de compact

Il est connu que les petites particules produisent des compacts de densité inférieure sous n'importe quelle pression tandis que les grosses particules sont plus faciles à compacter et

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produisent une densité de compactage plus élevée. Une large gamme de distribution de taille augmente la densité des comprimés. En synthèse par combustion, une très forte densité de compact conduit à une perte de chaleur excessive de l'échantillon due à une augmentation de la conductivité thermique. Par contre, pour les densités très faibles, les particules tendent à avoir un nombre insuffisant de points de contact pour initier la réaction. La porosité a également un double effet sur la synthèse par combustion. En d'autres termes, la fraction volumique de la porosité doit être autant que possible égale à la fraction volumique du métal fondu qui remplit les vides. Dans le cas où la fraction volumique de la porosité est plus élevée, les vides sont partiellement remplis de la phase fondue et, par conséquent, les réactifs ne seraient pas bien en contact. Cependant, si la fraction volumique de la porosité est inférieure à la fraction volumique du métal fondu, la phase fondue en excès conduit à une diminution du taux de réaction. Dans les deux cas, l'exothermicité de la réaction et la température de combustion diminuent [24].

1.4.2.3 Dimension et taille du compact

La température de combustion (TC) dépend de la perte de chaleur de l'échantillon pendant la

réaction. Par conséquent, en fonction de la quantité de perte de chaleur, la température de combustion est toujours inférieure à la température adiabatique (Tad) [25]. Puisque la taille

des comprimés est en corrélation directe avec l'ampleur de la perte de chaleur, elle est considérée comme un paramètre important dans la synthèse par combustion. Il a été rapporté que dans la synthèse de TiB2, aucune réaction ne se produit pour des petits échantillons

(moins de 6 mm de diamètre) en raison de la grande perte de chaleur à travers l'échantillon [25].

1.4.2.4 Stœchiométrie de la réaction

La stœchiométrie des réactifs est l'un des paramètres les plus importants dans la synthèse par combustion. Tout écart par rapport au rapport stœchiométrique pourrait entraîner une diminution de la chaleur générée et de la température adiabatique [24]. De même, l'ajout d'un réactif ou d'un produit en excès pourrait réduire l'exothermicité de la réaction. Comme on le voit sur la Figure 1-7, l’ addition de TiC comme diluant (précurseur) dans la synthèse de TiC a significativement diminué la température adiabatique [26].

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Figure 1-7. Effet de l'addition de dilution dans la synthèse de TiC [26].

1.4.2.5 Température de réaction

Il y a quatre températures importantes qui peuvent affecter les produits dans la synthèse par combustion : Température initiale (T0) qui est la température moyenne des réactifs avant la

réaction. Température d’ignition (Tig) qui est la température à laquelle la réaction est activée,

température adiabatique (Tad) qui est la température maximale, pouvant être atteinte dans des

conditions adiabatiques et température de réaction ou de combustion qui est la température maximale atteinte dans les conditions réelles.

L'effet de la température de combustion sur la taille des particules des produits a déjà été étudié [27]. Comme le montre la Figure 1-8, les particules deviennent plus grandes en augmentant la température de combustion. De même, une répartition plus homogène de la taille des particules serait produite par diminution de la température de combustion comme la montre la micrographie MET de poudres de Ni-Zn synthétisé à la température inférieure.

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Figure 1-8. Image MET de poudres de Ni-Zn synthétisées à (a) 1000 °C et à (b) 1200 °C [27].

1.4.2.6 Taux de chauffage

Le taux de chauffage est un autre paramètre très important qui influence directement la réaction de combustion, la température de combustion et la densité des produits finaux [26]. La température de combustion est contrôlée par la vitesse de chauffage car elle dépend de l'ampleur de la perte de chaleur de l'échantillon. À de faibles taux de chauffage, il se produit de diffusion entre les réactifs conduisant à la formation de phases intermédiaires qui, en retour, affectent le processus de synthèse de la combustion et les produits finaux. L'utilisation d'un taux de chauffage élevé serait efficace pour empêcher la formation de phases intermétalliques [26]. Cependant, des taux de chauffage très élevées pourraient conduire à des microstructures inhomogènes en raison des gradients thermiques importants [26]. Dans le système de réaction Ti-Al par SHS, où la taux de chauffage était de 10 °C/min, trois composés intermédiaires ont été détectés dans les produits, tandis que pour le taux de chauffage de 50 °C/min, les produits étaient principalement TiAl avec petite proportion de Ti3Al [28].