Sur les propriétés optiques du matériau

Les nuances HCT et HCZ étant celles qui résistent le mieux à l’oxydation, les mesures d’émissivité en fonction de la température ont été effectuées dans l’enceinte MEDIASE sous vide et sous air (figure 4.12) en utilisant le radiomètre Heimann KT. Les mesures effectuées sous air sur un échantillon HCT non oxydé et sur un échantillon qui a été préoxydé auparavant pendant 20 min. à 2000 K sur le réacteur REHPTS ont également été comparées.

Les mesures sur le HCT sous vide ont été effectuées jusqu’à 1600 K, mais un dépôt sur le hublot de verre du réacteur a été observé à cette température, c’est pourquoi les mesures suivantes sous vide sur l’échantillon HCZ n’ont pas été effectuées à une température supérieure à 1400 K. Les mesures sous air ont été effectuées jusqu’à 1750 K pour le HCT et 1600 K pour le HCZ. Ces températures maximales sont inférieures à celles qui ont pu être obtenues sur le REHPTS car les mesures d’émissivité se font sur la face arrière de l’échantillon, qui est à plus basse température que la face avant qui est exposée au flux solaire concentré.

Les mesures sous vide montrent que pour les deux matériaux les émissivités totale et dans la ‘gamme solaire’ (Figure 4.12 a-d) ne montrent pas de variations significatives avec la température, étant respectivement autour de 0,4 et 0,5. On trouve seulement une petite variation pour le HCZ, l’émissivité « solaire » baissant de 0,6 à 0,5 quand la température monte de 1000 à 14000 K (Figure 4.12. d). Le rapport entre les deux émissivités / reste supérieur à 1 pour les deux matériaux. Il est autour de 1,2 pour le HCT (figure 4.12 e) et baisse de 1,4 à 1,2 quand la température monte de 1000 à 1400 K pour le HCZ (figure 4.12 f).

L’oxydation fait augmenter à la fois les émissivités « solaires » et totales des deux échantillons, mais l’influence de la température est différente selon l’échantillon. Pour le HCT, les émissivités décroissent quand la température augmente, alors que pour le HCZ les émissivités augmentent avec la température (figure 4.12 a-d). L’émissivité totale augmentant plus avec l’oxydation que l’émissivité « solaire », le rapport α/ε des échantillons traités sous air et inférieur à celui des échantillons traités sous vide. Pour le HCT sous air, ce rapport est même inférieur à 1 pour des températures supérieures à 1600 K, montrant qu’à hautes températures les pertes par rayonnement peuvent être plus importantes que le flux solaire absorbé. Pour le HCZ sous air, ce rapport est constant et égal à 0,95 de 1100 à 1600 K.

Enfin, si on regarde l’influence de la préoxydation sur les propriétés optiques de l’échantillon HCT (figure 4.12 a, c et d), on observe que les émissivités « solaires » et totales sont plus faibles sur l’échantillon préoxydé que sur l’échantillon oxydé in situ, ce qui tend à prouver que les deux émissivités

42 diminuent quand la couche d’oxyde s’épaissit. Par contre, le rapport α/ε semble identique pour les deux matériaux.

Figure 4.12. Evolutions de (a), (b) l’émissivité totale, ε0.6–40, (c), (d) l’émissivité “solaire”, ε0.6–2.8, et du (e), (f) rapport α/ε, en fonction de la température, mesurés sous vide (10−4 Pa), ou dans l’air (87 kPa) sur des échantillons non oxydé ou pré-oxydés. (a), (c), (e), se réfèrent au HCT, (b), (d), (f) au HCZ. L’émissivité d’une surface dépend de sa composition et de sa rugosité. La figure 4.13 présente les différences de rugosité entre les échantillons traités sous vide et sous air, mesurée par profilométrie optique. Les rugosités arithmétiques et quadratiques ont été effectuées en faisant la moyenne des valeurs mesurées sur 4 surfaces différentes. Les mesures sur les échantillons de référence de HCT et HCZ montrent que ces échantillons sont initialement lisses avec des rugosités arithmétiques et quadratiques inférieures à 0,2 µm. La rugosité quadratique Sq des échantillons HCT traités sous vide (jusqu’à 1600 K) ou sous air (jusqu’à 1750 K) est multipliée par un facteur 7 ou 85 (respectivement) par rapport à la surface polie. Par contre, cette rugosité ne varie pas pour le HCZ traité sous vide (jusqu’à 1400 K), tandis qu’elle augmente de plus de deux ordres de grandeur (de 0,2 à 28 µm) après les mesures effectuées sous air (jusqu’à 1600 K).

43 L’important écart-type sur la valeur de rugosité quadratique après les mesures sous air montre que la rugosité de la couche d’oxyde n’est pas uniforme. Sur les 4 surfaces de mesure à la surface du HCT, la rugosité quadratique minimale est de 9µm, la valeur maximale est de 27 µm. Pour le HCZ, ces valeurs varient de 20 à 36 µm.

Figure 4.13. Topographie des surface des échantillons (a), (b) HCT et (c), (d) HCZ après mesures d’émissivité sur MEDIASE. (a) et (c) montrent les topographies après les mesures sous vide, (b) et (d)

les topographies après mesures sous air. Le tableau à droite rapporte les mesures de rugosité arithmétique (Sa) et quadratique (Sq) sur les deux types d’échantillons avant et après les mesures à

hautes températures.

L’analyse Raman après essais montre les dommages qui ont affecté les matériaux après essai. La figure 4.14 présente l’analyse Raman des matériaux traités sous vide, comparé avec un matériau HCM qui sert de référence. Sur cette référence, les seuls pics notables correspondent au mode graphitique et désordonnés du carbure de hafnium. Le HCZ présente le même profil que la référence, si ce n’est l’apparition d’un pic à 800 cm-1 qui peut être lié à la formation d’une fine couche de silice amorphe. Par contre l’échantillon HCT, qui a été traité à plus hautes températures, présente des pics de silicium résultant probablement de la dissociation de l’additif TaSi2 et d’une condensation du silicium formé à la surface de l’échantillon. Cela peut expliquer la hausse de la rugosité de cet échantillon après les essais. Cette condensation de silicium peut également avoir eu lieu sur le dôme du réacteur, expliquant l’opacification de celui-ci.

La figure 4.15 montre les spectres Raman des échantillons après mesures d’émissivité sous air. On retrouve le pic large à 800 cm-1 correspondant à la silice amorphe, les autres pics correspondant à la hafnie monoclinique.

44 Figure 4.14. Spectres Raman d’échantillons HCT et HCZ après les mesures d’émissivité sous vide,

comparés avec le spectre d’un matériau de référence HCM

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