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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
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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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1. Présentation
En général, la configuration la plus stable d’un ensemble d’atomes consiste à les assembler de manière à permettre l’optimisation de la distribution électronique, c’est‐à‐dire à minimiser les obstacles au transfert d’électrons entre éléments d’affinités électroniques (électronégativités) différentes. La solution optimale est alors obtenue pour une association des éléments oxydants (oxygène, fluor…) et réducteurs (carbone, hydrogène…) en petites molécules comme H2O, CO2 , HF… Le moyen le plus efficace de stocker de l’énergie dans un matériau est donc d’y introduire des éléments oxydants et réducteurs en proportion adéquate : la décomposition du matériau permettra de libérer cette énergie lors de réactions d’oxydo-réduction (c’est‐à‐dire une optimisation de la distribution des électrons sur les atomes).
De tels matériaux constitués d’atomes différents sur lesquels la distribution des électrons n’est pas optimale sont soit des mélanges de différents composés oxydants et réducteurs, soit constitués de molécules intrinsèquement énergétiques (souvent organiques ou organométalliques) dont la décomposition fournit de l’énergie sans impliquer d’autres composés. Ces matériaux énergétiques présentent des enthalpies de formation plutôt positives (jusqu’à plusieurs kilojoules par gramme) et des densités souvent élevées (proches de 2 g/cm3 ou supérieures). Les réactions d’oxydo-réduction au cours desquelles ils libèrent leur énergie sont comparables à la combustion des carburants (réducteurs) en présence d’un comburant (oxydant) constitué par l’oxygène de l’air. Cependant, comme les matériaux énergétiques renferment dès le départ toutes les espèces impliquées dans l’oxydo-réduction, leur combustion est plus rapide que celle d’un carburant.
L’énergie dégagée par la réaction est mise à profit parfois sous forme de chaleur (pour chauffer rapidement des conserves…) mais beaucoup plus souvent pour fournir un travail mécanique : matériaux pour la propulsion (fusées, armes à feu, sièges éjectables, satellites…) ou explosifs. Ces derniers – outre leurs applications traditionnelles...
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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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