Ecole Militaire Polytechnique 2023 Caractérisation des matériaux énergétiques PDF

Ecole Militaire Polytechnique 2023 Caractérisation des matériaux énergétiques Cne. Ahmed Fouzi Tarchoun UERPE/DRFPG Version 0.4 PROGRAMME DE MODULE Volume horaire cours de 35h00—30 Séances Volume horaire TD de 14h00—12 Séances Volume horaire TP de 35h00...

Ecole Militaire Polytechnique 2023 Caractérisation des matériaux énergétiques Cne. Ahmed Fouzi Tarchoun UERPE/DRFPG Version 0.4 PROGRAMME DE MODULE Volume horaire cours de 35h00—30 Séances Volume horaire TD de 14h00—12 Séances Volume horaire TP de 35h00—30 Séances Evaluation -Contrôles périodiques -1 Devoir -Test TP -TPE -1 examen final PROGRAMME DE MODULE 1.Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques 2. Analyse et contrôle des matériaux énergétiques 3. Caractérisation des particules 4. Structure et morphologie des MEs 5. Mouillabilité des MEs 6. Rhéologie des MEs PROGRAMME DE MODULE 1.Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques 2. Analyse et contrôle des matériaux énergétiques 3. Caractérisation des particules 4. Structure et morphologie des MEs Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Classification des matériaux dangereux par les Nations Unies Sur la base des recommandations du Comité d’experts des Nations Unies sur le «transport des marchandises dangereuses», le système international de classification des Nations Unies a été conçu dans le but de promouvoir la sécurité du transport des marchandises dangereuses et produits chimiques dangereux. Son utilisation a également été étendue universellement pour promouvoir la sécurité pendant le stockage et la manutention. La base de ce système est la classification des marchandises dangereuses et les produits chimiques dangereux par le type de risque impliqué. Le système se compose de neuf classes dont la classe 1 comprend les matières et objets contenant des matériaux énergétiques. Les neuf classes de marchandises dangereuses et produits chimiques dangereux sont présentés avec des étiquettes en forme de diamant distinctif pour une reconnaissance rapide des dangers. Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Classification des matériaux dangereux par les Nations Unies Classe 1: Explosifs et munitions. Classe 2: Gaz-comprimé, liquéfié. Classe 3: Liquides inflammables. Classe 4: Solides inflammables, substances qui, au contact de l’eau, dégagant des gaz inflammables. Classe 5: Substances oxydantes, peroxydes organiques. Classe 6: Substances toxiques ou infectieuses. Classe 7: Matières radioactives. Classe 8: Matières corrosives. Classe 9: Matières dangereuses diverses. Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Classification des matériaux dangereux par les Nations Unies Diverses étiquettes selon la classe ont été utilisées pour chaque classe de substances dangereuses. Les étiquettes prescrites pour une classe particulière de substances dangereuses ont la couleur de fond caractéristique qui sont les suivantes: Substances explosives orange (classe 1) Substances inflammables rouge (classes 3 et 4) Substances réactives avec de l'eau bleue (classe 4) Substances oxydantes jaune (classe 5) Substances toxiques ou infectieuses Blanche (classe 6) Substances radioactives blanche ou jaune et blanche (classe 7) Matières corrosives Noire et blanche (classe 8) Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Classification des matériaux dangereux par les Nations Unies Le but de ces étiquettes est de fournir un avertissement au public de rester loin et dans le cas d'un accident, les services d'urgence sont fournis avec une indication d'un risque primaire susceptible d'être rencontrée. Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Classification des matériaux dangereux par les Nations Unies  Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Classification des matériaux dangereux par les Nations Unies Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Classification des matériaux dangereux par les Nations Unies La classe 1 est subdivisée en six divisions, comme indiqué ci-dessous: a) Division 1.1 Matières et objets présentant un danger d’explosion en masse (e.g. TNT, RDX, HMX). b) Division 1.2 Matière et objets présentant un danger de projection; (e.g. Grenades). c) Division 1.3 Matière et objets présentant un danger d’incendie, avec un danger mineur d’effet de souffle ou de projection ou des deux, sans danger d’explosion en masse (e.g. Propergols). Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Classification des matériaux dangereux par les Nations Unies La classe 1 est subdivisée en six divisions, comme indiqué ci-dessous: d) Division 1.4 Matières et objets qui ne présentent qu’un danger mineur en cas d’allumage ou d’amorçage. (e.g. compositions pyrotechniques). e) Division 1.5 Matières qui présentent un danger d’explosion en masse mais qui sont très peu sensibles, et que la probabilité d’amorçage ou de passage de la combustion à la détonation est très faible dans les conditions normales; (e.g. HNS, NTO, TATB). f) Division 1.6 Objets extrêmement peu sensibles ne comportant pas de risque d'explosion en masse. Ces objets ne contiennent que des matières détonantes extrêmement peu sensibles et présentent une probabilité négligeable d'amorçage ou de propagation accidentels. (e.g. PBX). Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Manipulation, stockage et transport des matériaux énergétiques Manipulation Elle comprend pratiquement toutes les activités liées aux MEs: synthèse; lavage; chauffage et séchage; tamisage; broyage; mélangeage, formulation; pressage; extrusion; usinage; moulage et cuisson; montage et démontage; emballage; mouvements lors de la fabrication. En outre, les mesures suivantes vont promouvoir la sécurité lors de la manipulation des MEs: 1) Tout le personnel qui manipulent des MEs doit toujours se rappeler qu'un degré élevé de soins doit être exercé parce que le moindre degré de la négligence peut conduire à des accidents. 2) Les outils utilisés pour les activités liées aux MEs devraient être des métaux non ferreux comme le laiton, le cuivre ou le bronze, qui sont, des outils sans étincelles. Les outils de fer et d'acier devraient être interdits car ils pourraient provoquer des étincelles. 3) Le personnel doit se familiariser avec les règles générales régissant leur conduite, qui est, l'utilisation des chaussures protecteurs, l'interdiction de fumer ou port des allumettes etc. Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Manipulation, stockage et transport des matériaux énergétiques Manipulation 4) Une manipulation excessive des MEs devrait être évitée dans la mesure du possible. 5) Tous les travaux expérimentaux liés à des MEs ou des produits chimiques dangereux doivent être toujours effectués par une équipe de deux personnes utilisant une quantité minime possible. 6) Avant de commencer, il faut avoir toute chose propre, garder les lieux et les dispositifs propres pendant que vous travaillez et nettoyez tout à la fin. 7) Une vigilance constante est la meilleure garantie. Le concept de planification minutieuse, un contrôle strict et autorité centrale semble être une solution adéquate. Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Manipulation Scale of reactions 1. first time new prep. of a potentially highly energetic material: ≤ 250 mg (normal rxn. authorization required) rough determination of IS and FS (without grain size) 2. first scale up to ≤ 500 mg (if necessary x preps of 500 mg) (normal rxn. authorization required) determination of IS, FS and ESD (with grain size) 3. second scale up to ≤ 1000 mg determination of thermal stability (DSC) and long term stability (normal rxn. authorization required) 4. never prepare more than 5 g in one reaction step Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Manipulation, stockage et transport des matériaux énergétiques Stockage Règles et règlements universellement acceptés, qui doivent être suivis dans le but de promouvoir la sécurité pendant le stockage. 1) Les MEs doivent être stockés dans des endroits conçus pour ces fins. 2) Les MEs doivent être correctement emballés et stockés dans des récipients approuvés, fermés et scellés, de façon appropriée. 3) Les MEs et leurs emballages doivent être en bon état et exempts de grains ou de toute autre contamination avant le stockage. 4) Toutes les portes des lieux de stockage devraient ouvrir vers l'extérieur. 5) Tous les lieux de stockage devraient bénéficier d'une ventilation adéquate. Le contrôle de la température à l'intérieur des magasins est également important. Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Manipulation, stockage et transport des matériaux énergétiques Stockage 6) Toutes les précautions possibles doivent être prises pour exclure le risque d'accident en interdisant le tabagisme et le transport des allumettes ou tout autre moyen produisant de flamme ou chaleur autours des installations ou des lieux de stockage. 7) Les personnes non-autorisées ne doivent strictement pas accéder aux sites de stockage. 8) Assurer une propreté quotidienne des sites et la présence de moyen de lutte contre les incendies. Chap.1. Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques Manipulation, stockage et transport des matériaux énergétiques Transport Les MEs peuvent être transportés par la route ou par chemin de fer, cependant, le transport ferroviaire est souvent préféré que le transport routier ayant de sérieuses limites. Dans des circonstances particulières, des MEs sont également transportés par voie aérienne. 1) Le contenu explosif net dans le véhicule ne doit pas dépasser 4000 kg. 2) Interdiction de fumer à moins de 30 m du véhicule des MEs et aucun feu ou flamme nue doivent être autorisés dans 90 m du véhicule. 3) Tous les voyages doivent être terminés pendant la journée dans la mesure du possible. 4) La vitesse autorisée pour le véhicule est à 35 km/h. 5) Après le chargement des MEs, le symbole de la division d’incendie (Fire Division) approprié devrait être affiché sur le véhicule. PROGRAMME DE MODULE 1.Aspects sécuritaires des matériaux énergétiques 2. Analyse et contrôle des matériaux énergétiques 3. Caractérisation des particules 4. Structure et morphologie des MEs 5. Mouillabilité des MEs 6. Rhéologie des MEs Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Matériaux Energétiques? Les "matériaux énergétiques" sont des composés solides ou liquides constitués d'édifices moléculaires dont l’enthalpie de formation est aussi élevée que possible. Leur principale caractéristique est de restituer à la demande et de façon contrôlée l’énergie emmagasinée. Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Matériaux Energétiques? Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Application des Matériaux Energétiques ----Militaire Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Application des Matériaux Energétiques ---- Commercial Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Application des Matériaux Energétiques ----Spatial Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques 2020 Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques 2023 Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Compatibilité: -Est-ce-que le matériau énergétique (élément dans une configuration) est résistant aux changement chimiques causés par ses interactions avec d’autres ingrédients dans une configuration donnée. Stabilité: décrit la résistance du matériau à la dégradation physique ou chimique en fonction du temps, et en particulier lorsqu’il est soumis à des conditions externes. Sensibilité -Est-ce-que la manipulation du ME est sure? -Quelles sont ses seuils d’excitation? Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Performances -Quelle est l’énergie que peut produire un nouveau ME en le comparant à un ME existant? -Est-ce qu’il y a une augmentation d’efficacité? -Quelles sont les autres effets que peut procurer ce nouveau ME? Coût: matière première, procédé de fabrication, contrôle de cycle de vie, décontamination. Environnement: nature des produits de décomposition, solubilité, effets sur le sol et sur les organismes vivants, matériaux écologiques. Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs Le but d'un test de compatibilité est de fournir une évidence qu'une matière peut être utilisée dans un système sans pour autant influencer la sécurité ou la fiabilité d'un ME avec lequel il est en contact ou à proximité. Il existe 2 exemples classiques montrant la non compatibilité de deux ) éléments de parties de munitions: ME et MI (inerte). la réaction de l’acide picrique avec la couche d'acier ou des parties de munitions en plomb donne du picrate de fer ou Picrate de plomb. Ces composés sont très sensibles aux contraintes mécaniques (impact ou friction). La migration de la NG à partir d'un propergol à l'environnement voisin (inhibiteur). Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs Il existe plusieurs techniques pour la détermination de la compatibilité des MEs (STANAG 4147, Ed2 et autres): Epreuve de stabilité sous vide (Vacuum stability test VST) (Test 1) La microcalorimétrie (Heat flow calorimetry HFC) (Test 2) Analyse thermogravimétrique (Test 3) Analyse DSC/ATD (Test 4) ) Analyse chimique après vieillissement (Test 5) Autres méthodes. Remarque: la compatibilité dépend non seulement de la composition, mais également de l’humidité, de degré de confinement, de l’atmosphère de l’impureté, et de la présence de solvants. Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs Les tests 1-4 sont souvent applicables pour les explosifs contenant comme principaux ingrédients (TNT, RDX, HMX, tetryl, PETN, HNS, TATB) ou leurs équivalents. Les tests 2-5 sont souvent applicables pour les poudres et propergols contenant de la nitrocellulose comme ingrédient principal. Le test 1 peut ) par d’autres tests. être employé mais il doit être justifié Les tests 3-4 sont souvent recommandés pour les composition pyrotechniques. Les tests 4-5 sont souvent recommandés pour les explosifs primaires. Les tests 1-4 peuvent être appliqués pour les propergols composites. Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs Epreuve de stabilité sous vide (Vacuum stability test VST) ❖ L’appareil STABIL est composé d’une unité principale qui peut fonctionner avec deux blocs de chauffage thermostatés, où chaque blocs peut contenir dix tubes a essais avec transducteurs de pression dont la gamme de pression absolue allant de 0 bar a 1 bar. ❖ L’unité principale contient deux contrôleurs de température et deux limiteurs de température contre les surchauffes pour les blocs thermostatés, un système d'acquisition des données pour traiter le signal donné par les transducteurs de pression avec une alimentation stabilisée de puissance pour les transducteurs et un port )de communication avec un ordinateur. ❖ Le dispositif de stabilité sous vide est un appareil utilisé pour la détermination de la stabilité chimique (STANAG 4556) et la compatibilité des matériaux énergétiques par un chauffage à température constante sous vides pendant une durée déterminée. Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs Epreuve de stabilité sous vide (Vacuum stability test VST) Le volume de gaz libéré est calculé par: 𝒎 𝑷𝟐 × 𝟐𝟕𝟑, 𝟏𝟓 𝑷𝟏 × 𝟐𝟕𝟑, 𝟏𝟓 𝟏 𝑽 = 𝑽𝒄 + 𝑽𝒕 − × − × 𝒅 𝟐𝟕𝟑, 𝟏𝟓 + 𝑻𝟐 𝟐𝟕𝟑, 𝟏𝟓 + 𝑻𝟏 𝟏, 𝟎𝟏𝟑 b c d e f g Raw Data b c d e f g Smoothed Data b c d e f g Linear Regression b c d e f g Quadratic Regression V : volume de gaz dégagé par l’échantillon en cm3 ; 74 ) 73 72 Vc : volume du transducteur de pression en cm3 ; 71 70 69 68 Vt : volume du tube a essais en cm3 ; 67 66 65 64 m : masse de l’échantillon en g ; 63 62 61 Gas Pressure (kPa) 60 d : densité de l’échantillon en g/cm3 ; 59 58 57 56 P1 : pression initiale au début de l’expérience (t=0 min) 55 54 53 52 51 en bar ; 50 49 48 P2 : pression à la fin de l’expérience en bar ; 47 46 45 44 T1 : température au début de l’expérience en °C ; 43 42 41 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,000 2,200 2,400 2,600 2,800 T2 : température à la fin de l’expérience en °C ; Time (min) Volume of Released Gas per 1.000 g of Sample = 9.582 ml Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs Epreuve de stabilité sous vide (Vacuum stability test VST) Le volume de gaz, d’un mélange contenant des parties égales d’un ME et un matériau test chauffé à une T de 100 °C pendant 40 h sous vide, et comparé avec le volume dégagé des deux composés chauffés séparément dans les mêmes conditions. La compatibilité est jugée par la quantité de gaz additionnelle produite à cause de contact des 2 substances. ) Des essais réalisés à 80 °C pendant 200 h sont considérés comme adéquats pour les PDB et les explosifs qui se décomposent très rapidement lorsqu’ils sont chauffés à 100 °C. Pour des essais conduits à des faibles températures inférieures à 100 °C, le temps minimum est multiplié par un facteur de 2.5 pour une diminution de 10 °C. Exp. à 70 °C. Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs Epreuve de stabilité sous vide (Vacuum stability test VST) La compatibilité est déterminée finalement par la relation: ) VR ne doit pas dépasser 5 ml dans les conditions STP; sinon le mélange est incompatible. Si VR est entre 3-5 ml dans les conditions STP, une autre méthode est recommandée pour évaluer la compatibilité. Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs Epreuve de stabilité sous vide (Vacuum stability test VST) Exemple typique de l’analyse de compatibilité par VST ) Figure. Effet de la nature des stabilisants sur Nitrocellulose l’évolution de la pression des gaz dégagés Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs Epreuve de stabilité sous vide (Vacuum stability test VST) Exemples de résultats par VST ) Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Interrogation écrite 1- Si on veux préparer un ME avec une masse ≤ 1000 mg, quelles sont les paramètres à déterminer ? 2- Quelles sont les méthodes recommandées pour déterminer la compatibilité des CPYs ? 3- Quels sont les paramètres qui influencent la compatibilité des matériaux énergétiques ? Donner deux exemples de la non-compatibilité qui peuvent survenir dans une munition. 4- Est ce que le VST est suffisant pour confirmer la compatibilité d’un mélange énergétique à base d’ester nitrique? 5- Comment procéder pour évaluer la compatibilité des matériaux énergétiques par VST ? 6- Quelles sont les approches utilisées pour déterminer les paramètres cinétiques ? (avec explication) ? Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs La microcalorimétrie (Heat flow calorimetry HFC) La calorimétrie à flux thermique (HFC) est un calorimètre isotherme très sensible (détection de l’ordre de μW ou nW) qui permet de mesurer le dégagement de chaleur en fonction du temps produit par la décomposition du matériau énergétique à température constante. La quantité de la matière est typiquement 1-5 g, donc la représentativité par rapport à sa compostions chimique est meilleure que la DSC (de l’ordre de mW/g). STANAG 4582 Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs La microcalorimétrie (Heat flow calorimetry HFC) Des essais à 85 °C pendant 168 h sont souvent réalisés. Le flux de chaleur généré par un mélange (ME et matériau test 1:1) est mesuré en fonction du temps et sera comparé à une courbe référence qui représente la somme des flux de chaleur générés par les 2 matériaux pris séparément. L’augmentation relative de la chaleur libérée par le mélange testé (D) est donnée par: Chap. 2 Analyse et contrôle des matériaux énergétiques Détermination de la compatibilité des MEs La microcalorimétrie (Heat flow calorimetry HFC) Les critères d’acceptation sont donnés ci-dessous. Si : D3 : l’additif est incompatible avec la substance explosive. 2