Solides et matériaux carbonés 3

Pierre Delhaes

Description

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. Phénomènes de surfaces et d'interfaces. Chapitre 2. Réactivité chimique et traitements de surface. Chapitre 3. Carbones poreux et divisés. Chapitre 4. Carbones filamentaires, composites et milieux hétérogènes. Chapitre 5. Utilisation des matériaux carbonés. Principaux sigles et symboles. Table des encadrés. Index. Sommaires des volumes 1 et 2.

Sujets

• Chimie
• Physique
• Matériau
• Physique de la matière condensée

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 08 septembre 2009
• Nombre de lectures: 12
• EAN13: 9782746240452
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Solides et matériaux carbonés 3

© LAVOISIER, 2009 LAVOISIER 11, rue Lavoisier 75008 Paris www.hermes-science.com www.lavoisier.fr ISBN volume 3 978-2-7462-2375-2 ISBN général 978-2-7462-2372-1 Le 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 3 phénomènes de surface et applications Pierre Delhaes

Collection Procédés et systèmes mécaniques dirigée par P IERRE D EVALAN

T ABLE DES MATIÈRES

Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Chapitre 1. Phénomènes de surfaces et dinterfaces. . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1. Les caractères physico-chimiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Propriétés de surface dans les diamants et graphites . . . . . . . . 1.1.1.1. Energies de surface et mouillabilité . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1.2. Influences de la nature de la surface et de celle du liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1.3. Effets de rugosité et topographie des surfaces . . . . . . . . . 1.1.2. Cas des phases graphitiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.1. Les fibres de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.2. Les nanofilaments et nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2.3. Les phases carbonées rugueuses et dispersées . . . . . . . . . 1.1.3. Mécanismes dadsorptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3.1. Ladsorption gazeuse sur une surface graphitique . . . . . . 1.1.3.2. Les isothermes à marches et les systèmes bidimensionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3.3. Ladsorption sur différents carbones . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Les aspects électriques et électrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Modèle de la double couche et potentiel électrocinétique . . . . . 1.2.1.1. Définitions et mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1.2. Potentiel zêta dans les carbones . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Les transferts électroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.1. Définitions de laffinité électronique et du potentiel dionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.2. Mesures des potentiels électrochimiques . . . . . . . . . . . .

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1.2.2.3. Les électrodes de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Interfaces solides et effets mécanochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Les interactions entre des surfaces solides en mouvement . . . . . 1.3.2. Le broyage des poudres graphitiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3. Les coefficients de frottement des phases diamants . . . . . . . . . 1.3.3.1. Conditions de suprafriction sous ultravide . . . . . . . . . . . 1.3.3.2. Influence de différentes atmosphères et stabilité . . . . . . . 1.3.4. Les coefficients de frottement des phases graphitiques . . . . . . . 1.3.4.1. Nanotribologie et surfaces graphitiques . . . . . . . . . . . . 1.3.4.2. Frottements macroscopiques et triboréactivité. . . . . . . . . 1.3.5. Usure et lubrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 2. Réactivité chimique et traitements de surface. . . . . . . . . . .

2.1. Les réactions doxydation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Rappels sur les réactions avec loxygène moléculaire . . . . . . . 2.1.2. Le mécanisme de combustion de différents carbones . . . . . . . . 2.1.3. La sélectivité entre les différentes phases . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Les autres oxydants gazeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4.1. Les oxydes de carbone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4.2. La vapeur deau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4.3. Les oxydes dazote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4.4. Loxygène atomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5. Les oxydations par voie liquide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5.1. Les oxydes graphitiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5.2. Les oxydations ménagées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5.3. Les attaques électrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6. Les oxydations à partir de solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6.1. Les réactions de carboréduction . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6.2. Protections contre loxydation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.7. Les techniques danalyse des fonctions de surface . . . . . . . . . 2.1.7.1. Les analyses chimiques et physico-chimiques . . . . . . . . . 2.1.7.2. La décomposition thermique des complexes de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.7.3. Relation avec les caractéristiques interfaciales . . . . . . . . 2.2. Les réactions dhydrogénation et dhalogénation. . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Les réactions avec lhydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41 44 44 48 49 50 50 52 52 52 54 55 56

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Table des matières 5

2.2.1.1. Lhydrogène moléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2. Lhydrogène atomique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.3. Conséquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Les réactions avec les halogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.1. Le mécanisme de transfert de charge . . . . . . . . . . . . 2.2.2.2. La formation de liaisons chimiques covalentes . . . . . . 2.2.2.3. Propriétés des différents fluoro-carbones. . . . . . . . . . 2.3. Les traitements de surface et la catalyse hétérogène . . . . . . . . . . 2.3.1. Les modifications de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.1. Les techniques de greffage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2. La chimie de surface des nanotubes . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Les effets catalytiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2.1. Rôle catalytique des carbones . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2.2. Effets associés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Chapitre 3. Carbones poreux et divisés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1. Présentation générale des carbones hétérogènes . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Classification générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Carbones à partir dune phase dispersée solide . . . . . . . . . . . 3.1.2.1. Interface solide-solide des graphites polycristallins . . . . . 3.1.2.2. Interface solide-solide des milieux hétérogènes . . . . . . . . 3.1.2.3. Interface solide-liquide et dispersion des nanocarbones . . . 3.1.2.4. Interface solide-gaz et carbones aciniformes. . . . . . . . . . 3.1.3. Carbones à partir dune phase dispersée liquide . . . . . . . . . . . 3.1.3.1. Les microbilles graphitables (MCMB oumesocarbon microbeads) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.2. Aérosols, cénosphères et microbilles vitreuses . . . . . . . . 3.1.4. Carbones à partir dune phase dispersée gazeuse . . . . . . . . . . 3.1.4.1. Les carbones activés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4.2. La technique des répliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4.3. La formation de mousses et daérogels . . . . . . . . . . . . . 3.2. Propriétés des carbones poreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Textures poreuses et caractéristiques de surface . . . . . . . . . . . 3.2.1.1. Structures microporeuses et méthodes dadsorption . . . . . 3.2.1.2. Caractérisations des méso- et macropores . . . . . . . . . . . 3.2.1.3. Caractérisations et analyse fractale . . . . . . . . . . . . . . .

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3.2.2. Propriétés dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.1. Transport de masse en phase gazeuse . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.2. Transport de masse en phase liquide . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.3. Transferts de chaleur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Compétition entre réactions chimiques et diffusions. . . . . . . . . . . . 3.3.1. Le modèle de Thiele et ses prolongements . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Les dépôts chimiques en phase vapeur . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. Formation à partir de procédés énergétiques . . . . . . . . . . . . . 3.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 4. Carbones filamentaires, composites et milieux hétérogènes. .

4.1. Les carbones filamentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Historique des nanofilaments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.1. Les premières observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.2. La production et les mécanismes de croissance . . . . . . . . 4.1.1.3. Les nanotubes multi- et monofeuillets . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Lévolution des fibres de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.1. Les premiers travaux sur les fibres . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.2. Présentation des fibres actuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3. Principales caractéristiques physiques des carbones filamentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Rôle dans les matériaux composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Systèmes multidimensionnels et multi-échelles . . . . . . . . . . . 4.2.2. Les interactions fibre-matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.1. Etat géométrique et fonctionnel des surfaces . . . . . . . . . 4.2.2.2. Linfluence de linteraction fibre-matrice . . . . . . . . . . . 4.2.3. Classes de composites et de nanocomposites. . . . . . . . . . . . . 4.2.3.1. Cas des composites classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.2. Cas des nanocomposites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Les milieux hétérogènes aléatoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Conductivité électrique et modèles de percolation . . . . . . . . . 4.3.2. Rôle des propriétés interfaciales et influence de la matrice . . . . 4.3.3. Conséquences du phénomène de percolation . . . . . . . . . . . . . 4.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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