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Études isochrones du cuivre trempé en atmosphère d'hydrogène

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HAL Id: jpa-00205866

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Submitted on 1 Jan 1964

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Études isochrones du cuivre trempé en atmosphère d’hydrogène

Claude Budin, Annie Lucasson, Pierre Lucasson

To cite this version:

Claude Budin, Annie Lucasson, Pierre Lucasson. Études isochrones du cuivre trempé en atmosphère d’hydrogène. Journal de Physique, 1964, 25 (7), pp.751-756. �10.1051/jphys:01964002507075100�.

�jpa-00205866�

(2)

ÉTUDES ISOCHRONES DU CUIVRE TREMPÉ EN ATMOSPHÈRE D’HYDROGÈNE

Par CLAUDE BUDIN, ANNIE LUCASSON et PIERRE LUCASSON,

Laboratoire de Chimie Physique, Faculté des Sciences de Paris, Section d’Orsay.

Résumé.

2014

Après avoir trempé des échantillons de cuivre

sous

atmosphère d’hydrogène nous

avons

étudié la restauration de leur résistivité électrique initiale à l’aide de recuits isochrones faits dans des conditions différentes. Si après chaque recuit l’échantillon est trempé rapidement à la température de l’azote liquide (à laquelle

se

font les mesures), une augmentation de la résistivité

électrique

se

manifeste entre 2014 100 °C et

2014

60 °C. Cette augmentation ne

se

produit pas si l’on refroidit progressivement l’échantillon jusqu’à la température de mesure.

Ce phénomène estindépendant de l’atmosphère qui entoure les échantillons pendant les recuits.

Nous l’attribuons

aux

interactions des atomes d’hydrogène (mobiles) avec les lacunes.

Abstract.

2014

Isochronal annealing experiments have been performed

on

quenched pure copper,

using different annealing techniques. If the specimen is brought rapidly from the temperature

of anneal to liquid nitrogen temperature (for measurements),

one

notices

a

resistivity increase

between 2014 100 °C and

2014

60 °C. This increase does not happen if the cooling rate is sufficiently

low. In

case

of

a

low cooling rate it happens if the specimen is surrounded by

a

helium atmosphere as well

as

by

a

hydrogen atmosphere. This phenomenon seems to be due to hydrogen vacancies

interactions.

PHYSIQUE 25, 1964,

Introduction.

-

Lorsqu’on a fait subir une

trempe a un echantillon de cuivre plonge dans une atmosphere d’hydrogene, des recuits isochrones,

effectues a temperatures croissantes, montrent que la r6sistivit6 electrique de l’échantillon revient a sa

valeur d’avant trempe en deux 6tapes. La premiere

de ces 6tapes est situ6e aux environs de - 100 OC et la seconde, au voisinage de la temperature ordi-

naire. Des mesures ’d’énergie d’activation avaient conduit Lucasson et al. [1] a les attribuer respec- tivement a la migration d’hydrogene dissous et a la migration et la disparition de d6lauts lacunaires.

Dans ce qui suit, nous 6tudions quelques mani-

festations de la mobilit6 et de la solubilite de ces

def auts ponctuels en eff ectuant, sur un meme

echantillon et toutes choses 6tant identiques par

ailleurs, des series d’experiences qui ne different

de la pr6c6dente que par la variation d’un para- m6tre.

Conditions exp6rimentale.

-

Tous nos échan-

tillons proviennent d’une meme bobine de fil de cuivre Johnson Mattheys, spectroscopiquement

pur. Les dispositifs et les techniques utilises pour

les trempes et les mesures 6tant analogues a ceux

d’un travail precedent [1], nous ne parlerons ici

que des points particuliers a la pr6sente 6tude. Les

6chantillons sont places dans une enceinte de verre ou m6tallique, f ermee selon le cas par un rodage ou

par un couvercle à joint m6tallique, remplie d’hy- drbg6ne et immerg6e dans 1’azote liquide. La figure 1 donne une vue sch6matique d’une de nos

enceintes expérimentales, comportant un échan-

tillon dispose en zig-zags, d’une longueur totale

de 20 cm, dans une ampoule de verre. Les supports

des fils conducteurs n’ont pas ete repr6sent6s. Des

6chantillons de formes différentes (circulaire, recti- ligne) ont aussi ete utilises.

Pendant toute la duree des experiences

-

qui

FIG. 1.

-

Échantillons dans une enceinte de verre immer-

g6e dans l’azote liquide.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01964002507075100

(3)

752

peut atteindre plusieurs semaines -1’enceinte reste

immerg6e dans l’azote liquide. Toutes les mesures se font a temperature de 1’azote liquide. Le chauf- fage de .l’échantillon, soit pour les trempes, soit

pour les recuits, se fait par passage de courant continu. Sa temperature est contr6l6e par mesure

potentiométrique de sa resistance electrique. Cette

mesure donne donc la temperature moyenne de 1’echantillon. Du fait de l’immersion dans 1’azote

liquide, les parois de 1’enceinte exp6rimentale

restent toujours a basse temperature pendant les

recuits.

Avant toute experience, chaque echantillon a

subi un recuit de 4 heures a 600°C dans 1’hydro- gene. Apres ce recuit le rapport des resistances des 6chantillons a temperature ordinaire et a temp6-

rature de I’h6lium liquide est voisin de 200. (II

varie entre 180 et 250 selon 1’echantillon.)

Les trem,pes sont r6alis6es par coupure brusque

du courant de chauffage. Les vitesses de trempe calcul6es a partir de la puissance n6cessaire pour maintenir la temperature constante sont voisines

de 20 000 OC/s. Les enregistrements a l’oscillo- graphe cathodique donnent 20 a 22 000 °C/s en bon

accord avec les vitesses de trempe calcul6es.

a) MESURES ELECTR1QUES.

-

Les mesures de

resistance sont faites a la temperature de 1’azote liquide par une m6thode potentiométrique. Deux

6chantillons presque identiques, de resistances .R1

et R2 sont places cote a cote dans l’enceinte experi-

mentale. Le premier subit trempes et recuits, le

second sert de reference. A la temperature de

l’azote liquide, les variations de la resistance du

premier sont 6gales aux variations de la diff erence 3R

=

R1- R2, puisque R2 est constant avec la temperature. Mais en fait, la temperature n’est pas

constante, car les echantillons sont refroidis princi- palement par conductibilite et convection du gaz contenu dans 1’enceinte plong6e dans 1’azote liquide (fig. 1). Elle subit, de ce fait des fluctuations qui,

dans nos appareils, se manifestent de façon errh- tique, avec une amplitude qui peut atteindre 0,01 OC en des temps de l’ordre de la minute- Nous observons 6galement une derive plus lente de la temperature, correspondant a un echauffement d’environ 0,1 °C par 24 heures. Or, les coefficients de temperature ocl et oc2 de R1 et R2 sont voisins,

mais non identiques, ce qui limite dans nos appa- reils la precision des mesures + 10-11 Q cm

environ. Nous 1’avons am6lior6e par l’introduction d’iin terme correctif C(A) obtenu de la f acon sui-

vante : nous prenons pour references un couple de

valeurs R1 et R2o d6termin6es avant Inexperience.

Si une fluctuation de temperature AT se produit

elle entraine une variation de la resistance de r6f6- rence, 3R2 - R2(ð. T) - R0g. On rnesure Rz(A7°) apres chaque recuit d’ou 8R2, dont on d6duit als6- ment la variation correspondante de la resistance

etudiee :

Compte tenu de ce terme correctif, les erreurs

sur les mesures sont inférieures a 5 X 10-12 Qcm.

b) DEFINITION DE LA TEMPERATURE DE L’ÉCHAN-

TILLON.

-

La technique de chauffage par passage de courant electrique que nous adoptons dans ces experiences est particulierement commode a utili-

ser lorsque des mesures 6lectriques sont faites sur

1’echantillon. Cette f acilite de mise en oeuvre, jointe

a la possibilite de r6aliser de grandes vitesses de

trempe fait qu’elle a pratiquement toujours 6t6 employee a la suite des travaux de Koehler et ses

collaborateurs [2] pour 6tudier par trempe et

mesures de r6sistivit6 les energies de formation de def auts ponctuels.

Pour 6tudier les energies de mouvement des

def auts ponctuels, les expérimentateurs ont en general préféré utiliser des proc6d6s de chauffage plus classiques, tels que les bains d’huile, qui assu-

rent en principe une meilleure unif ormite de la

temperature. Nous signalons ici les points suivants :

1° La mesure de la resistance electrique donne

une temperature moyenne T des echantiuons, alors

que l’utilisation d’un bain chauffant permettrait

de parler de temperature vraie T.

2° A l’aide d’hypotheses tres simples sur la repartition des temperatures il est possible de prevoir que la difference AT

=

T - T dans nos

experiences, est faible et de l’ordre de quelques degr6s.

3° Ces prévisions sont confirmees aussi bien par les resultats obtenus par Cuddy et Machlin [3]

pour 1’6nergie, de mouvement des bilacunes dans 1’argent, que par nos propres experiences faites

avec des 6chantillons de cuivre de formes et de

caractéristiques tres différentes (leur longueur

variait entre 6 cm et 20 cm pour un diam6tre de

0,1 mm et le diametre des prises de tension etait soit de 0,1 mm, soit de 0,2 mm).

Au surplus dans ce qui suit, ce sont les variations de temperature plutot que les temperatures elles memes, qui importent. Aussi, confondons nous T et T, nous r6servant de discuter ce probleme par ailleurs.

R6sultats. -- Avec chacun des echantillons nous avons realise successivement quatre

«

cycles»

presque identiques de trempe en atmosphere d’hydrogene suivie de recuits isochrones. D’une

experience a l’autre, nous nous sommes attaches à

ne faire varier qu’un parametre a la fois. Ainsi,

dans 1’exemple ci-dessous, les quatre trempes ont

ete effeetu6es a partir de 700 OC environ. Elles ont

donne des augmentations de resistance electrique

6gales h ± 4 % pres. Les recuits isochrones 6taient

(4)

753

identiques quant a ]a dur6e, de cinq minutes, d’une part, et quant aux intervalles de temperature

d’autre part : ils 6taient etages de 15° en 15° entre

-140 °C et + 200 °C.

La premiere isochrone a ete obtenue en effec-

tuant les recuits dans 1’atmosphere d’hydrogene ou

avait ete provoqu6e la trempe initiale. A la fin du

recuit, le courant de chauffage de l’échanti]lon etait

brusquement coup6 a 1’aide de l’interrupteur du dispositif de trempe. Le refroidissement jusqu’a la temperature de I’azote liquide etait donc tres

rapide. Le diagramme de la figure 2 montre l’iso-

FIG. 2.

-

Isochrone obtenue apres trempe

sous

hydrogene

d’un 6chantillon de 720°C jusqu’a la temperature de

1’azote liquide. Chaque point correspond a

un

recuit de

5 minutes a la temperature indiqu6e dans une atmo- sph6re d’hydrogène, suivi d’un refroidissement rapide jusqu’a la temperature de 1’azote liquide. Les isochrones

des figures 2, 3, 5 et 6 ont 6t6 obtenues avec le meme 6chantillon.

chrone obtenue. Une premiere 6tape de restau-

ration de la r6sistivit6 electrique, correspondant

a une migration d’atomes d’hydrogene est centr6e

autour de

--

110°C. Elle est suivie d’une

augmentation de r6sistivit6 ,qui se produit

entre - 100°C et

-

60°C. La seconde

-

et prin- cipale

-

6tape de recuit, attribuee par nous a la

migration de def auts lacunaires, commence vers

-

20°C et s’6tend jusqu’a + 100 oC. Elle est

centr6e autour de + 35 °C.

Pour obtenir la seconde isochrone, nous avons

encore conserve 1’atmosphere d’hydroge’ne de la

trempe initiale, mais, au lieu de couper brutalement

le courant de chauff age, nous avons graduelle-

ment abaiss6 celui-ci a 1’aide d’un rh6ostat. L’iso-

chrone correspondante est repr6sent6e,sur la figure3.

FIG. 3.

-

Isochrone obtenue apres trempe de 727 °C jusqu’a la temperature de l’azote liquide

sous

atmosphere d’hydrog6ne. Chaque point correspond a

un

recuit de cinq minutes

sous

atmosphere d’hydrog6ne, suivi d’un refroidissement lent de la température- indiqu6e jusqu’a

1’azote liquide.

Elle montre ]’existence des deux 6tapes principales

de disparition de la r6sistivit6 electrique due a ]a trempe signal6s pr6c6demment, mais l’ augmen-

tation de r6sistivit6 qui se manif estait entre - 100°C et

-

60 °C dans 1’experience prec6dente

a disparu (1). Or, en trempant le meme echantillon,

sous une atmosphere d’helium [4] au lieu d’hydro-

g6ne, et en traçant des isochrones, nous avons

constate que ni la premiere 6tape de recuit, ni la

remont6e de r6sistivit6 consecutive, ne se pro- duisent. Nous voyons la une confirmation de notre idee que la premiere 6tape correspond a ]a migra-

tion et a la disparition d’hydrogene dissous, et que la remontee indique une redissolution d’hydrog6ne.

(1) L’apparition ou la disparition de la

«

bosse » de l’isochrone comprise entre -100 °C et

-

20 °C

ne

depend

que de la vitesse du refroidissement apres recuit. En effet,

si apres

une

trempe dans 1’hydrogene

nous

effectuons

un

recuit a

-

60 °C par exemple,

en

refroidissant lentement,

nous

obtiendrons

une

valeur de AR JARO correspondant au point A. Faisons alors

un nouveau

recuit à

-

60 °C pt

coupons brusquement le courant de chauffage., La valeur

de AR/ARO mesur6e apres cette operation correspond a

un

point B situe

au

dessus de A (fig. 4).

(5)

754

Cet hydrog6ne qui se redissout pouvait, soit pro-

venir du gaz qui entourait l’echantillon soit pro- venir de la liberation du gaz pi6g6 pendant la premiere etape, a l’int6rieur du m6tal.

FIG. 4.

-

Entre - 100°C et 0 OC la forme de l’isochrone

depend essentiellement de la vitesse du refroidissement

apres le recuit. Un premier recuit, suivi d’un refroidis- sement lent conduit

au

point A. Si l’on fait alors

un

second recuit a la meme temperature, suivi d’un refroi- dissement brusque jusqu’a la temperature de l’azote liquide,

on

obtient le point B, au-dessus de A.

FIG. 5.

-

Isochrone obtenue apres trempe de 735 °C a la temperature de 1’azote liquide

en

atmosphere d’hydro- g6ne. Les recuits ont ete faits

sous

atmosphere d’ hélium purifi6. Chaque point correspond a

un

recuit de cinq

minutes a la temperature indiqu6e, suivi d’un refroidis- sement rapide jusqu’a l’azote liquide.

Une troisieme trempe en atmosphere d’hy- drog6ne permet d’61ucider ce point. Nous avons apres la trempe pomp6 I’hydrog6ne de 1’en-

ceinte expérimentale et I’avons remplace par de I’h6lium avant d’effectuer des recuits isochrones à la fin desquels le refroidissement jusqu’a la temp6-

rature de 1’azote liquide se faisait par coupure

brusque du courant de chauffage. Le diagramme 5

montre les resultats obtenus. La courbe est presque

superposable a la courbe 2. En particulier, les points expérimentaux obtenus entre - 100°C et

-

60°C

sont presque confondus. L’hydrogene qui se redis-

sout a donc une origine interne, pour la plus grande part.

FIG. 6.

-

Isochrone obtenue apres trempe de 750°C a la temperature de 1’azote liquide,

en

atmosphere d’hydro g6ne. Les recuits ont ete faits

sous

atmosphere d’hélium purifi6. Chaque point correspond a

un

recuit de cinq

minutes a la temperature indiqu6e suivi d’un refroidis- sement lent jusqu’a l’azote liquide.

Cependant lorsque la temperature est sup6rieure

a

-

40 OC, la nouvelle isochrone se trouve lege-

rement au-dessous de l’ancienne. Nous attribuons

ce d6calage a une desorption lente de l’hydrogene

a la surface de 1’echantillon, desorption qui n’est plus compens6e par la redissolution en surface

lorsque l’échantillon est plonge dans I’h6lium.

Enfin, nous avons trempe une quatrieme fois I’échantillon, sous atmosphere d’hydrogene. Nous

avons ensuite pomp6 l’hydrogene hors de 1’en-

ceinte exp6rimentale l’avons remplace par de

(6)

755 I’h6lium, et avons fait des recuits isochrones ter-

min6s par une descente lente en temperature. Les

resultats obtenus sont repr6sent6s par la courbe 6, qui pendant toute la deuxieme 6tape du recuit, se

trouve au-dessous de la courbe 5.

FIG. 7.

-

Isochrones obtenues

avec un

meme echantillon

en

atmosphere d’hydrogene apres trempes de 450 °C et 500 °C respectivement jusqu’a la temperature de 1’azote liquide. Chaque recuit, d’une duree de dix minutes etait suivi d’un refroidissement rapide jusqu’a 1’azote liquide.

On constate qu’il existe

un

maximum de la resistance

electrique pres de - 140°C. Ce maximum diminue

beaucoup quand la temperature de trempe passe de 450 °C a 500 °C. I1 vient probablement d’interactions de

I’hydrog6ne dissous

avec

certaines impuret6s.

o Trempe de 450 °C,

p Trempe de 500 °C.

Nous avons répété ces experiences dans un ordre quelconque, avec des 6chantillons diff6rents, trem- p6s a partir de temperatures comprises entre 450 OC

et 750oC. Pour des trempes a partir de temperatures

inférieures ou 6gales a 500 OC, nous avons note I’apparition de tres petits changements ( 2) dans la partie des isochrones inférieure a - 100 OC, mais

1’allure généraJe des courbes et de leurs modifi- cations restait conforme a la description qui pr6-

cede (fig. 7). Pour des trempes de temperatures

(2) On peut remarquer qu’aux temperatures inf6rieures a 500 °C les concentrations

en

hydrog6ne dissous a l’équi-

libre thermodynamique sont de l’ordre de 10-6. Elles sont alors inf6rieures

aux

concentrations

en

impureté du metal (environ 10-5). Les interactions hydrog6ne

-

impuret6s

doivent pouvoir

se

manifester dans le metal trempe de fagon particulierement nette dans

ces

conditions.

supérieures A 500 oc, les r6sultats obtenus ont 6t6 identiques en tous points A cette description (fig. 8).

FIG. 8.

-

Isochrone obtenue

en

atmosphere d’hydrog6ne

par trempe a partir de 540°C. Chaque recuit, de cinq

minutes 4 la temperature indiqu6e etait suivi d’un refroidissement rapide. Le maximum a - 140°C n’est

plus d6celable et la courbe a,

aux

temperatures inf6-

rieures a 0 OC, la meme forme que celles obtenues apres trempes de temperatures sup6rieures a 500 °C.

Discussion.

-

Les trois points suivants nous paraissent particulièrement int6ressants pour la

comprehension des. ph6nom6nes :

10 Dans les isochrones obtenus par refroidis-

sement brusque apres chaque recuit, on a, à

quelques pour cent pres : Ap(- 40 °C) Apo ou Ap(- 40 °C) est ce qui reste, apres recuit à - 40 °C,

de 1’augmentation Apo de r6sistivit6 due a la trempe.

2° Les isochrones du cuivre trempe en atmo- sph6re d’helium montrent que la restauration de la r6sistivit6 electrique initiale s’effectue en une seule

6tape [4] exactement dans le domaine d6 temp6-

rature de 1’6tape II du cuivre trempe en atmo- sph6re d’hydrogene. Ce fait nous incline a penser

qu’un meme def aut, de nature lacunaire, disparait

dans les deux cas. Dans le cas du cuivre trempe en atmosphere d’hydrogene, il faut alors bien admettre que les lacunes entrainent avec elles tout l’hydro- g6ne dissous.

30 Nous avions signal6 dans un travail ant6rieur,

- et nous l’avons verifie a 1’occasion de ce travail

(7)

756

-

que les valeurs trouv6es pour Apo en fonction

de la temperature de trempe 6taient en accord

avec les hypotheses suivantes :

- la r6sistivit6 PL d’une lacune est a peu pres 6gale a la r6sistivit6 pn d’un atome d’hydrogene dissous ;

-

les concentrations en hydrogene, CH, et en lacunes, CL sont donn6es dans le cuivre par les relations propos6es par Eichenauer et Pebler [5] et

Simmons et Balluffi [6] respectivement ;

-

l’augmentation de r6sistivit6 APo due a la trempe s’obtient alors par la somme

Cette additivit6 semble bien impliquer que

chaque atome d’hydrogene et chaque lacune dif- fuse s6par6ment les electrons de conductibilite.

Cela ne serait pas possible si ces def auts r6ticulaires 6taient agglom6r6s d’une façon ou d’une autre. On

est alors amen6 aux conclusions suivantes, compte

tenu que Apo - Ap(- 40 °C) : a

-

40 OC, presque tous les atomes d’hydrogene trempes dans le metal

s’y trouvent encore. Ces atomes d’hydrogene accompagnent les lacunes dans leur mouvement mais restent s6par6s des lacunes et s6par6s les uns

des autres. Ils seraient donc pieges dans certains sites interstitiels voisins de la lacune.

Conclusion.

-

L’augmentation de la r6sistivit6

electrique due a une trempe du cuivre en atmo- sph6re d’hydrogene disparait en deux 6tapes prin- cipales. La premiere, centr6e autour de - 120 OC, correspond au mouvement d’atomes d’hydrogene dissous, tandis que la seconde, centr6e au voisinage

de 40°C, correspond au mouvement de def auts lacunaires.

Si, apres chaque recuit, 1’echantillon est port6

lentement a la temperature de 1’azote liquide (tem- p6rature a laquelle se font les mesures), ces deux 6tapes se succedent sur la courbe isochrone, Ap(T),

sans que la resistivite des echantillons cesse de d6croltre en fonction de la temperature de recuit.

Au contraire, si apres chaque recuit l’echantillon

est trempe a la temperature de 1’azote liquide,

l’isochrone indique une augmentation de la r6sis- tivit6 entre - 120°C et

-

60°C. Ce phénomène ne depend pas de 1’atmosphere gazeuse qui entoure

]’ échantiJIon. En effet, il se produit aussi bien

lorsque les recuits sont faits sous atmosphere d’hy- drog6ne que sous atmosphere d’helium. Ce pheno-

mene se manifeste pour des concentrations relatives

en lacunes et en hydrogene dissous tres diverses.

Nous 1’avons mis en evidence apres des trempes de 450 oC (CH/CL = 100 a l’équilibre thermodyna- mique) aussi bien qu’apres des trempes de 750°C (ClaICL - 1,5 a l’équilibre thermodynamique).

De nouvelles 6tudes ein6tiques et des experiences

de spectrom6trie de masse sont en cours.

Remerciements.

-

Nous sommes heureux de remercier MIle Y. Cauchois, Directeur du Labo-

ratoire de Chimie Physique, de l’intérêt qu’elle a

manif este pour ce travail.

Nous remercions M. Lelogeais pour la pr6pa-

ration des enceintes expérimentales et M. Mou- lanier, qui s’est charge de la preparation des échan-

tillons.

Manuscrit regu le 14 f6vrier 1964.

R£Fl%RENCES [1] LUCASSON (P.), LUCASSON (A.), BUDIN (CI.) et DE-

NAYROU

(F.), J. Physique, 1963, 24, 508.

[2] KAUFFMANN (J. W.) et KOEHLER (J. S.), Phys. Rev., 1952, 88, 149.

[3] CUDDY (L. J.) et MACHLIN (E. S.), Phil. Mag., 1962, 745.

[4] LUCASSON (A.), LUCASSON (P.) et BUDIN (Cl.), A paraître.

[5] EICHENAUER (W.) et PEBLER (A.), Z. Metallk., 1957, 48, 373.

[6] SIMMONS (R. O.) et BALLUFFI (R. W.), Bull. Am. Phys.

Soc., II, 1962, 7, 233 ; Phys. Rev., 1963, 129,1533.

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