2.4
Validation expérimentale et discussion
Afin d’évaluer le modèle, des mesures de pression ont été effectuées en considé- rant la combustion de quatre mélanges : Al/CuO, Al/Bi2O3, Al/MoO3, et Al/W O3.
Nous avons comparé ces mesures avec les résultats théoriques détaillés précédem- ment. Pour cela, les mélanges ont été préparés au laboratoire par mixage sous ultra- son. Les matériaux ainsi préparés sont placés dans une enceinte fermée équipée d’un capteur de pression et d’un dispositif d’initiation. La pression est alors déterminée à chaque instant de la combustion. Les fournisseurs, dimensions et formes des nano- particules utilisées pour réaliser les mélanges peuvent être consultés dans le Tableau 2.5.
Tableau 2.5 – Dimension et forme des particules utilisées pour réaliser les mélanges
Al/CuO, Al/Bi2O3 et Al/M o2O3 et Al/W O3 dans les expériences de validation du
modèle thermodynamique à l’équilibre local.
Particule Fournisseur Dimension Forme
Al Novacentrix 80-150nm Sphérique Bi2O3 SigmaAldrich 100-500nm Ovoïde
M oO3 SigmaAldrich 90-6000nm Aléatoire
CuO SigmaAldrich 240 nm ± 50 nm Aléatoire Sb2O3 SigmaAldrich 120-4200nm Aléatoire
Afin de réaliser les mélanges, une première étape consiste à mesurer les masses d’aluminium et d’oxyde métallique afin de se placer dans des proportions stoechio- métriques. Ces nanoparticules sont ensuite suspendues dans de l’hexane et mixées à l’aide d’un transducteur ultrasonique cylindrique, sur une durée de 4,5 min. afin d’éviter les initiations non désirées du mélange réactif, on applique un temps de repos de 1 s toutes les 2 s de sonication. Ainsi préparé, le mélange est séché à 70◦C
sous un vide de 20 kPa, dans un support cylindrique. Suite à cette étape de séchage, le mélange est placé dans un réacteur en acier inoxydable de 4 mm de diamètre in- térieur et de 0,7 mm de long. Le volume total est donc de 9 mm3. Ce réacteur est
équipé d’un capteur de pression à haute fréquence (Kistler 601H) à une extrémité et d’un dispositif d’initiation équipé d’une puce composée de multicouches Al/CuO, de l’autre côté. Il est à noter que la masse de thermite Al/CuO présente sur la puce d’initiation est de 10 µg et que la masse de thermite chargée dans la chambre varie de 10 à 50 mg. La masse de matériau énergétique sur la puce d’initiation ne représentant qu’un millième de la masse totale de matériau disposé dans le réacteur, son influence sur la combustion est négligée.
Pour chacune des compositions considérées, trois mesures de pression sont réali- sées pour chacun des %TMD, 10, 30 et 50 %TMD. Les pressions maximales mesurées expérimentalement ont été comparées avec les pressions obtenues théoriquement en fin de réaction, ε = 1. Ce choix arbitraire est basé sur le degré de confiance que l’on
a sur les valeurs intermédiaires de pression. En effet, les évolutions de la tempéra- ture et de la pression, lorsque la combustion est incomplète, dépendent fortement, d’une part des espèces chimiques intermédiaires pouvant se former pendant la com- bustion, et, d’autre part, des évolutions respectives de chacune de ces espèces, et de leur cinétique propre. On peut rappeler ici que l’avancement de réaction n’est qu’une pseudo-cinétique, qui n’est en aucun cas représentative de ces diverses es- pèces intermédiaires, ni réellement du déroulement temporel de la réaction. Par conséquent, et nous verrons, à raison, qu’il n’est opportun de comparer la pression expérimentale générée au cours du temps directement avec les pressions générées suivant notre critère d’avancement de réaction. Les pressions maximales mesurées expérimentalement ainsi que les pressions obtenues en fin de réaction par notre modèle thermodynamique à l’équilibre sont résumées dans la Tableau 2.6.
Tableau 2.6 – Comparaison des pressions maximales mesurées expérimentalement
(exp.) en MPa et des pressions obtenues en fin de réaction par notre modèle ther-
modynamique à l’équilibre local (calc.) pour les compositions Al/CuO, Al/Bi2O3,
Al/Sb2O3 et Al/M oO3 et pour des taux de compaction de 10, 30 et 50 %TMD.
%TMD Al/CuO Al/Bi2O3 Al/Sb2O3 Al/M oO3
exp. calc. exp. calc. exp. calc. exp. calc. 10 5,1 ± 0,7 7,3 9,3 ± 0,2 29 4,4 ± 0,3 26,5 3,1 ± 0,4 0,4 30 16,7 ± 0,1 19,8 22,0 ± 0,5 59,5 9,6 ± 0,4 34,9 7,4 ± 0,4 0,5 50 41,7 ± 0,5 35,9 29,0 ± 3,5 98,5 15,0 ± 0,4 37,6 12,0 ± 0,5 0,5 Comme c’est le cas dans nos résultats de simulations, les mesures de pressions in- diquent que toutes les compositions de thermites considérées génèrent de la pression. On peut distinguer les pressions maximales obtenues à bas taux de compaction, 10 et 30 %TMD, des pressions obtenues à 50 %TMD. En effet, aux bas taux de compac- tion, les pressions les plus élevées mesurées et calculées correspondent toutes deux au mélange Al/Bi2O3. Les plus faibles sont obtenues pour la thermite Al/MoO3. A
50 %TMD, la pression mesurée pour la thermite Al/CuO est supérieure à la pression calculée et correspond à la pression la plus grande mesurée parmi toutes les com- positions étudiées. La composition Al/MoO3 générant, comme pour les bas taux de
compaction, la pression la plus faible. Ainsi, le meilleur accord théorie/expérience est obtenu pour Al/CuO, avec un écart de valeur de pression d’un facteur inférieur à 1,5. Ceci peut être lié au fait que la chimie de sa combustion est parmi les mieux connues et documentées. En revanche, les pressions calculées pour les compositions
Al/Bi2O3 et Al/Sb2O3 sont surestimées par le calcul. Cette surestimation peut être
due à l’hypothèse que les espèces présentes dans la phase gazeuses sont constituées de Bi(g) et Sb(g) sous forme atomique. Il est possible que ces atomes forment des
molécules en phase gazeuse, comme des molécules diatomiques Bi2(g) et Sb2(g) ou
d’autres plus complexes, diminuant par conséquent drastiquement la quantité de molécules et donc la pression.