Nanothermites : synthèse et combustion

Les nanotechnologies représentent une thématique d’actualité et permettent de multiples avancées dans de nombreux domaines comme en l’occurrence le contrôle de la structure des matériaux énergétiques. Les matériaux à l’échelle nanométrique sont connus pour être différents de ceux à l’échelle micrométriques en ce qui concerne leurs propriétés physiques, chimiques et électriques. Le point de fusion, la chaleur de fusion, la température d’ébullition, entre autres propriétés thermophysiques et thermodynamiques, changent radicalement lorsque les diamètres des particules sont inférieurs à 10 nm. Les nanoparticules d’intérêt ont des dimensions caractéristiques généralement comprises entre 1 et 100 nm. Une particule sphérique ayant un diamètre de quelques nanomètres ne contient que quelques milliers d’atomes. Par conséquent, le rapport du nombre d’atomes à la surface de la particule sur les atomes du reste de la particule augmente considérablement à mesure que le diamètre de la particule diminue. Puisque les atomes surfaciques ont un nombre de coordination inférieur, les propriétés thermophysiques de ces derniers sont très différentes comparativement aux atomes non surfaciques. Lorsque le rapport devient significatif, le matériau dans sa globalité a les propriétés des atomes de surface. Par exemple, un morceau d’or macroscopique est un matériau inerte. Toutefois, si ce morceau d’or est broyé sous la forme de particules de 1 à 5 nm de diamètre, il acquiert alors d’excellentes propriétés catalytiques. Une caractéristique importante des matériaux à l’échelle nanométrique est donc l’augmentation de l’aire spécifique du matériau, ce qui permet une réactivité accrue. Cette réactivité accrue a alors conduit à s’intéresser à certaines nanoparticules métalliques pour diverses applications énergétiques. Il est clair que bientôt de nombreux domaines de la combustion seront influencés par les nanotechnologies en raison des futurs carburants, explosifs et matériaux réactifs ayant des composants nanométriques. Les avantages ne s’accompagnent pas de certains inconvénients. Ainsi certaines industries risquent un type d’explosion connu sous le vocable d’explosion de poussières (dust explosion en anglais). En résumé, les particules métalliques sont des combustibles candidats attrayants pour diverses applications de propulsion et de conversion d’énergie, principalement en raison de leur densité énergétique élevée.

Par le passé, de nombreux projets ont été conduits sur les « slurry fuels » mettant en œuvre la combustion de particules micrométriques, les technologies de broyage ne permettant pas à l’époque d’atteindre l’échelle nanométrique. Cependant, les particules de tailles micrométriques présentent plusieurs inconvénients tels que des températures d’allumage élevées et une tendance à l’agglomération, ce qui entraîne en fait un rendement de combustion généralement faible. En français, ces « slurry fuels » sont assez souvent désignés sous le vocable de « boues », ce qui indique assez clairement que leur mise en œuvre n’est pas aisée. Les nanoparticules, même si elles peuvent s’agglomérer, ont des températures d’allumage beaucoup plus faibles et sont donc très attrayantes en raison de leurs propriétés uniques et favorables. En conséquence, il y a un intérêt croissant dans l’utilisation des nanoparticules métalliques dans les systèmes de propulsion et de conversion d’énergie, au sens large. Sans même parler de propulsion, les matériaux nanoénergétiques sont d’intérêt en raison des applications possibles pour les technologies de défense. Sans rentrer outre mesure dans le détail, la directive REACH va à terme, pour des raisons de toxicité, éliminer du panel du pyrotechnicien l’azoture de plomb (PbN₃), un explosif primaire mis en œuvre pour amorcer la détonation d’un explosif secondaire. Les explosifs primaires n’étant pas utilisés pour les seules applications militaires, en effet 80 % des explosifs mis en œuvre le sont pour le génie civil, il faut donc pouvoir remplacer l’azoture de plomb. Les thermites nanocomposites ou nanothermites, matériaux énergétiques résultant de mélanges de nanoparticules métalliques et de nanoparticules d’oxydes métalliques, ont cette potentialité. Leur combustion induit des réactions d’oxydoréduction, le combustible étant le métal et le comburant l’oxyde métallique, qui libèrent de grandes quantités d’énergie avec une cinétique rapide. Ce dégagement rapide de chaleur leur confère alors des propriétés intéressantes leur permettant non seulement d’être utilisés en tant qu’explosifs primaires mais ils peuvent être aussi utilisés dans d’autres applications civiles comme la microsoudure en électronique, les joints métal/verre et métal/céramique, la soudure sous-marine ou encore la biomédecine et la production d’hydrogène. Le combustible le plus intéressant et le plus couramment rencontré est l’aluminium tandis que pour les comburants ce sont les oxydes de cuivre (Cu), fer (Fe), tungstène (W) et antimoine (Sb) qui suscitent le plus grand intérêt, un des systèmes le plus étudié étant Al/CuO (aluminium/oxyde de cuivre II). Les nanothermites affichent des rendements énergétiques bien supérieurs à ceux atteints par les composites thermites à micro-échelle. Cette réactivité est directement liée à leur nanostructure qui induit des vitesses de combustion plus rapides comparées aux microstructures. La combustion et plus particulièrement sa cinétique vont alors dépendre de la vitesse d’inflammation induite par la granulométrie mais aussi de la nature chimique du mélange oxydant-réducteur et des produits de la réaction. Puisqu’un des réactifs est un métal, il faut s’intéresser à la combustion des métaux. Cependant, la présence d’un oxyde métallique implique que la combustion ne sera pas celle d’un métal pur et il faut également s’intéresser aux spécificités des systèmes métal/oxyde métallique. Enfin, puisqu’une variété « infinie » de nanothermites est concevable, il faut dépasser l’approche à une ou deux réactions globales qui ne permet pas de comprendre la finesse des phénomènes et la compléter par une approche thermocinétique détaillée appliquée à la combustion.

Finalement, les nanothermites apparaissent comme des matériaux très prometteurs pour de multiples applications civiles ou militaires en raison de leur forte réactivité en combustion. Cependant, leur mise en forme ainsi que leur combustion restent encore très peu connues et très peu étudiées. En outre, le matériau doit être stable afin de pouvoir être stocké et manipulé. Dans cet article les différentes techniques et méthodes de synthèse de nanothermites les plus courantes seront décrites et discutées. Leur combustion ainsi que les mécanismes réactionnels et la cinétique associés seront aussi décrits et expliqués.