Carbones pyrolytiques ou pyrocarbones - Des matériaux multiéchelles et multiperformances

1 - Définitions des pyrocarbones

2 - Procédés de fabrication

• 2.1 - Dépôt chimique à partir de la phase vapeur (CVD)
• 2.2 - CVD sur lit fluidisé (FB-CVD)
• 2.3 - Infiltration chimique à partir de la phase vapeur (CVI)
• 2.4 - Influence des conditions d’élaboration sur la structure et la texture
• 2.5 - Traitements thermiques

3 - Caractérisation structurale des pyrocarbones

• 3.1 - Microscopie optique en lumière polarisée (MOLP)
  Figure 2 - PyC laminaires rugueux, de gauche à droite (LR), régénéré (LRe), lisse (LL) et sombre (LS) en MOLP polariseur et analyseur croisés Figure 3 - Évolution de l’intensité lumineuse réfléchie par un pyrocarbone concentrique sous lumière polarisée et analysée, lorsque l’analyseur tourne de 0° à 180° par rapport au polariseur. a) Lorsque le polariseur et l’analyseurs sont croisés, il ya un motif en « croix de Malte ». b) À l’angle d’extinction, les deux branches de la croix fusionnent, et l’intensité est nulle le long d’une direction proche de 45° Tableau 1
• 3.2 - Diffraction des rayons X, des électrons et des neutrons
  Figure 4 - Réseau direct et réseau réciproque d’un feuillet de graphène et d’un empilement turbostratique en désordre azimutal [23] [24] – P1 est un plan perpendiculaire aux couches aromatiques et P2 lui est parallèle tandis que P3 est oblique Figure 5 - Diagramme brut de diffraction de rayons X (Cu Kα 1,54 Å) d’un pyrocarbone de type laminaire lisse. Les pics 002, 004, 006 ainsi que les bandes asymétriques 10 et 11 sont indiqués Figure 6 - Schéma des diagrammes de diffraction électronique correspondant aux différentes sections de l’empilement turbostratique (figure 4) suivant les plans a) P1*, b) P2*, c) P3* et d) cliché de diffraction électronique expérimental d’un pyrocarbone anisotrope suivant P1*. Notez les arcs liés aux réflexions 00l Figure 7 - Diagramme de diffraction électronique d’un PyC hautement texturé (conditions similaires à la figure 6d) et profil azimutal de l’arc 002 avec détermination de la largeur à mi-hauteur (ici, OA = 44°) Figure 8 - a) Facteur de structure d’un PyC laminaire rugueux, obtenu par diffraction de neutrons. b) Fonction de distribution de paires déduite par transformée de Fourier inverse. Les premiers pics coïncident avec les distances aux premiers voisins, comme illustré dans l’insert
• 3.3 - Spectroscopie Raman
  Figure 9 - Spectres Raman de premier ordre typiques des pyrocarbones LL (a) et LR (b) déposés de façon concentrique (P) autour d’une fibre (F). Deux spectres peuvent être enregistrés, avec et sans analyseur. Le rapport des intensités entre les deux spectres est un indicateur du degré de texture du pyrocarbone Figure 10 - Variation de la largeur à mi-hauteur de la bande D, FWHM, en fonction de La au cours de la graphitisation de deux pyrocarbones laminaires régénéré (LRe) et rugueux (LR1) Figure 11 - Évolution de …
• 3.4 - Microscopie électronique en transmission (MET)
  Figure 12 - Diagramme de diffraction électronique d’un PyC texturé et positions du diaphragme objectif sur l’anneau 002 Figure 13 - Images MET en fond noir correspondant aux types de PyC LR, LRe, LL. La flèche indique la direction de croissance des dépôts Figure 14 - Image MET en mode haute résolution de deux pyrocarbones hautement texturés, laminaire rugueux (a) et laminaire régénéré (b) et transformées de Fourier des images en insert, équivalentes à des figures de diffraction d’électrons en aire sélectionnée, à la taille de la zone près Figure 15 - Image MET en franges de réseau, nanotexture d’un pyrocarbone laminaire lisse avec présence de zones perturbées et schéma d’un défaut présentant une courbure de 180° Figure 16 - Paramètres obtenus en mode franges de réseau, N est le nombre de franges empilées dans une USB, …
• 3.5 - Récapitulation
  Tableau 2

4 - Texture, relation avec les conditions d’élaboration

• 4.1 - Classification des types texturaux
  Figure 17 - Répartition des divers types de pyrocarbone suivant la structure et la texture (HOPG, highly oriented pyrolytic graphite) Tableau 3
• 4.2 - Modélisation structurale nanométrique : la méthode IGAR, reconstruction atomistique guidée par image
  Figure 18 - Schéma de la procédure IGAR
• 4.3 - Défauts présents dans les pyrocarbones
  Figure 19 - Visualisations de divers types de défauts présents dans les pyrocarbones : a) turbostratisme (flèches rouges = directions (001) de 3 plans superposés ; b) joints de domaines graphéniques ; c) dislocation-vis partielle suivant (002) ; d) bilacune réarrangée sous forme de cycles 555-777 ; e) carbones sp3 reliant différents plans graphéniques

5 - Caractérisation des propriétés physiques des pyrocarbones

• 5.1 - Propriétés mécaniques
  Tableau 4
• 5.2 - Propriétés thermiques
  Tableau 5

6 - Applications

• 6.1 - Applications aérospatiales
• 6.2 - Applications dans le domaine de l’énergie
• 6.3 - Applications industrielles
• 6.4 - Applications médicales

7 - Conclusion

8 - Glossaire

9 - Sigles, notations et symboles