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RÉSUMÉ
Un matériau est dit énergétique s’il peut libérer de l’énergie en un temps très court, cette énergie potentielle stockée sous forme chimique provenant d’un arrangement non optimisé de ces atomes. Ces matériaux énergétiques présentent des enthalpies de formation plutôt positives et des densités souvent élevées. Quant à leurs applications, l’énergie dégagée par la réaction exothermique peut être mise à profit sous forme de chaleur (pour chauffer rapidement des conserves), ou pour fournir un travail mécanique (matériaux pour la propulsion ou explosifs).
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Lire l’articleAuteur(s)
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Didier MATHIEU : Docteur en chimie physique - Ingénieur de recherche
-
Sylvain BEAUCAMP : Doctorant - Commissariat à l’énergie atomique - Centre d’études du Ripault
INTRODUCTION
Dès lors que ses atomes ne sont pas disposés selon l’arrangement le plus stable, un matériau quelconque renferme de l’énergie potentielle stockée sour forme chimique. Ce matériau est dit énergétique si cette énergie est susceptible d’être libérée en un temps très court (inférieur à quelques fractions de seconde) lors d’une réaction exothermique (combustion).
Cet article constitue une introduction aux matériaux énergétiques, avec un accent sur la conception de nouveaux produits. Des ouvrages et articles de synthèse sont disponibles pour plus d’informations sur la chimie [1] [2] et la physique [3] [4] de ces matériaux.
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3. Quelques définitions
3.1 Surface de potentiel
La surface de potentiel d’un système est en fait une hypersurface qui représente son énergie en fonction de sa structure (c’est‐à‐dire en fonction des positions relatives de ses atomes). À l’échelle microscopique, la différence entre un matériau énergétique et un matériau inerte apparaît au niveau de cette surface, dont une coupe est représentée figure 3. L’énergie produite par la décomposition adiabatique du matériau, notée Q , est communément appelée chaleur d’explosion et mesurée en kilojoules par gramme (reportée en kJ/mol avec la convention de signe opposée, elle est appelée chaleur de détonation). C’est une propriété très importante qui mesure l’énergie que le matériau est susceptible de fournir sous forme de chaleur ou de travail mécanique des gaz de combustion. L’énergie d’activation E * représente l’énergie minimale à fournir pour initier la décomposition. Ce paramètre cinétique mesure donc la stabilité du matériau. La condition Q > E * doit être satisfaite pour permettre une réaction en chaîne susceptible de conduire au dégagement rapide d’énergie qui caractérise un matériau énergétique : combustion anaérobie, déflagration ou détonation 5. En fait, comme l’énergie dégagée par la décomposition d’une molécule donnée est dissipée dans son environnement, il est clair que Q doit être nettement supérieure à E *. Pour les matériaux énergétiques usuels, le rapport Q /E * est typiquement compris entre 5 et 10. En pratique, E * varie peu (sa valeur est liée à l’énergie des liaisons chimiques rompues lors de la combustion). En revanche, Q est de l’ordre de 1 à 2 kJ/g pour les explosifs primaires mais peut dépasser 6 kJ/g pour des substances très énergétiques comme la nitroglycérine.
Néanmoins,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AKHAVAN (J.) - The chemistry of explosives. - Royal Society of Chemistry (1998).
-
(2) - PAGORIA (P.F.), LEE (G.S.), MITCHELL (A.R.), SCHMIDT (R.D.) - Thermochimica Acta, - 384, p. 187-204 (2002).
-
(3) - BORGHI (R.), DESTRIAU (M.) - La combustion et les flammes. - Technip (1995).
-
(4) - ODIOT (S.) éd - Approches microscopique et macroscopique des détonations. - Éditions de Physique (1988).
-
(5) - LAURENCE livermore national laboratory - * - http://www-cms.llnl.gov/s-t/nanoscale_chemistry.html
-
(6) - WILSON (K.J.) - High energy-density materials : The role of predictive theory. - Ph thesis, université de Floride (2002).
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...
ANNEXES
MATEOS (D.) - Transformation de matériaux énergétiques par oxydation hydrothermale : étude cinétique globale et simulation du procédé en régime permanent sur des composés modèles. - Université de Bordeaux I (2003).
MASSONI (J.) - Un modèle micromécanique pour l’initiation par choc et la transition vers la détonation dans les matériaux solides hautement énergétiques. - Université-Aix-Marseille I (1999).
PEUGEOT (F.) - Étude de la vulnérabilité de matériaux énergétiques à l’agression par jet de charge creuse. - Université de Poitiers (1997).
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