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Solides et matériaux carbonés 1

De
227 pages
Les solides carbonés cristallins, diamants et graphites, sont les exemples les plus connus de différentes variétés polymorphiques. Les avancées récentes au cours du XXe siècle ont conduit à la caractérisation des carbones graphitiques partiellement cristallisés d'origine naturelle ou artificielle mais également à la découverte de nouvelles phases moléculaires, les fullerènes, nanotubes et graphènes.
Publié en trois volumes, Solides et matériaux carbonés intègre ces différents apports et les associe aux divers domaines industriels.
Basé sur une approche historique, le premier volume présente les différentes formes de carbones découverts ou prévus théoriquement, leurs précurseurs et les composés analogues.
Le second volume s'intéresse à une comparaison de l'ensemble des propriétés physiques intrinsèques des différentes phases.
Le troisième et dernier volume décrit les caractéristiques physico-chimiques de surface et les grands domaines d'applications en tant que matériaux fonctionnels ou de structure.
Introduction. Chapitre 1. Un panorama historique. Chapitre 2. Le polymorphisme des phases cristallines. Chapitre 3. Les carbones non cristallins. Chapitre 4. Les composés dérivés et analogues. Chapitre 5. Des précurseurs aromatiques au plan de graphène. Principaux sigles et symboles. Table des encadrés. Index. Sommaire du volume 2. Sommaire du volume 3.
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Solides et matériaux carbonés 1
© LAVOISIER, 2009 LAVOISIER 11, rue Lavoisier 75008 Paris www.hermes-science.com www.lavoisier.fr ISBN volume 1978-2-7462-2373-8 ISBN général978-2-7462-2372-1Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part, que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite" (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs. Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, September 2009.
Solides et matériaux carbonés 1 phases carbonées et analoguesPierre Delhaes
Collection Procédés et systèmes mécaniquesdirigée par PIERREDEVALAN
TABLE DES MATIÈRES
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Chapitre 1. Un panorama historique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 1.1. Lalchimie du carbone .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 1.2. Lélément carbone et les variétés allotropiques. . . . . . . . . . .15 1.3. Les nouvelles variétés moléculaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 1.4. Les formes naturelles .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 1.4.1. Le carbone témoin de lunivers. . . . . . . . . . . . . . . . . .20 1.4.2. Les carbones naturels terrestres .. . . . . . . . . . . . . . . . .22 1.4.3. Comparaison entre les carbones naturels et artificiels. . . .25 1.5. Lapport de la mécanique quantique. . . . . . . . . . . . . . . . . .26 1.5.1. Les molécules diatomiques homonucléaires. . . . . . . . . .27 1.5.2. Surfaces courbes : le phénomène de réhybridation .. . . . .29 1.5.3. Présentation des phases solides cristallines .. . . . . . . . . .30 1.5.4. Les isotopes de latome de carbone.. . . . . . . . . . . . . . .31 1.6. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 1.7. Bibliographie .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
Chapitre 2. Le polymorphisme des phases cristallines. . . . . . . . . .39 2.1. Stabilité thermodynamique et diagramme de phase .. . . . . . . .40 2.1.1. Phases stables et métastables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 2.1.2. Le diagramme de phase du carbone. . . . . . . . . . . . . . .43
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2.1.2.1. Les lignes de transition solide graphite-diamant. . . .45 2.1.2.2. Lignes de fusion et propriétés à létat liquide. . . . . .47 2.1.2.3. Vaporisation et caractéristiques de létat gazeux .. . .47 2.1.3. Cas des phases moléculaires .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 2.1.4. Présentation cristallographique des phases usuelles. . . . .50 2.2. Formes classiques du carbone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 2.2.1. Energie de cohésion et équation détat dun solide .. . . . .54 2.2.2. Structures à nombre de coordination fixe .. . . . . . . . . . .56 2.2.2.1. Les carbynes (z = 2) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 2.2.2.2. Les graphites (z = 3).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 2.2.2.3. Les diamants (z = 4) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 2.3. Formes moléculaires et exotiques .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 2.3.1. Structures tricoordonnées sur une surface courbe .. . . . . .62 2.3.1.1. Les fullerènes .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64 2.3.1.2. Les nanotubes .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 2.3.1.3. Les schwartzènes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 2.3.1.4. Les nanostructures dérivées. . . . . . . . . . . . . . . . .69 2.3.2. Structures exotiques à coordinance mixte. . . . . . . . . . . .71 2.3.2.1. Carbones bi- et tricoordonnés .. . . . . . . . . . . . . . .71 2.3.2.2. Carbones tri- et tétracoordonnés. . . . . . . . . . . . . .71 2.4. Etat de lart et conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 2.5. Bibliographie .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
Chapitre 3. Les carbones non cristallins81. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Rappels sur les défauts et imperfections de réseau. . . . . . . . .82 3.1.1. Le monocristal idéal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 3.1.2. Les imperfections cristallines. . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.1.3. Les solides non cristallins.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.1.3.1. Modèle du verre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84 3.1.3.2. Modèle microcristallin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84 3.1.4. Homogénéité dun solide .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 3.2. Approche thermodynamique et classification des solides. . . . .91 3.2.1. Généralités .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 3.2.2. Classification des carbones .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 3.2.2.1. Procédés physiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
Table des matières7
3.2.2.2. Procédés chimiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98 3.3. Techniques de fabrication et caractérisations .. . . . . . . . . . . .105 3.3.1. Techniques de dépôt de films minces. . . . . . . . . . . . . .106 3.3.2. Mécanismes de dépôts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.3.3. Rôle des catalyseurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 3.3.4. Les caractérisations à différentes échelles.. . . . . . . . . . .117 3.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 3.5. Bibliographie .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
Chapitre 4. Les composés dérivés et analogues. . . . . . . . . . . . . . .125 4.1. Dopage des carbones et solutions solides. . . . . . . . . . . . . . .126 4.1.1. Les diamants dopés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127 4.1.1.1. Classification des diamants naturels .. . . . . . . . . . .127 4.1.1.2. Dopage des diamants synthétiques. . . . . . . . . . . . .128 4.1.1.3. Dopage des phases « DLC ». . . . . . . . . . . . . . . . .129 4.1.1.4. Dopage des phases « a-C:H » .. . . . . . . . . . . . . . .129 4.1.2. Les phases graphitiques dopées .. . . . . . . . . . . . . . . . .131 4.1.2.1. Dopagesa posteriori. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 4.1.2.2. Techniques de dopage au bore. . . . . . . . . . . . . . .132 4.1.2.3. Techniques de dopage à lazote. . . . . . . . . . . . . . .133 4.1.2.4. Dopages au bore et à lazote et formation de carbo-boronitrures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 4.1.3. Les fullerènes et les nanotubes dopés. . . . . . . . . . . . . .138 4.1.3.1. Les fullerènes dopés et les hétéro-fullerènes.. . . . . .138 4.1.3.2. Les nanotubes dopés et les hétéro-nanotubes. . . . . .139 4.2. Composés analogues 2D et 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 4.2.1. Le nitrure de bore .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 4.2.2. Les carboborures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 4.2.3. Les carbonitrures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 4.2.4. Les carbo-boronitrures.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 4.3. Matériaux similaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 4.3.1. Agrégats et nanotubes inorganiques. . . . . . . . . . . . . . .147 4.3.2. Composés massifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148 4.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 4.5. Bibliographie .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
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Chapitre 5. Des précurseurs aromatiques au plan de graphène159. . . . 5.1. Les systèmes polyaromatiques condensés. . . . . . . . . . . . . .160 5.1.1. Présentation des molécules aromatiques condensées. . . . .160 5.1.2. Evolution thermochimique des précurseurs organiques .. .168 5.1.2.1. Mécanismes de pyrolyse en phase gazeuse.. . . . . . .169 5.1.2.2. Mécanismes en phases condensées.. . . . . . . . . . . .171 5.1.3. Associations des molécules aromatiques et organisations supramoléculaires.. . . . . . . . . . . . . . . . . . .175 5.1.3.1. Caractéristiques de la mésophase carbonée. . . . . . .176 5.1.3.2. Propriétés rhéologiques des mésophases carbonées. .177 5.1.3.3. Milieux colloïdaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179 5.1.4. Caractéristiques structurales et physicochimiques des carbones basses températures .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181 5.1.4.1. Identification structurale et comparaison avec des molécules aromatiques témoins .. . . . . . . . . . . . .181 5.1.4.2. Croissance des polyaromatiques et classification des carbones.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 5.2. Le plan de graphène.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 5.2.1. Caractéristiques et propriétés.. . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 5.2.2. Croissance en phase vapeur et stabilité thermodynamique.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190 5.2.3. Procédé d’intercalationexfoliation .. . . . . . . . . . . . . . .191 5.3. Situation actuelle et conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196 5.4. Bibliographie .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
Principaux sigles et symboles205. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Table des encadrés209. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Index211. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sommaire du volume 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
Sommaire du volume 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
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