CARACTERISATION EXPERIMENTALE D’UN PLASMA D’ARC ELECTRIQUE

La chambre à arc La figure II-3 illustre le schéma du réacteur à arc électrique que nous avons utilisé. La chambre à arc est constituée d’un cylindre d’une vingtaine de centimètres de diamètre et d’une cloche de forme ellipsoïdale d’une cinquantaine de centimètres de hauteur (6). L’ensemble fait environ 1,5 mètre de hauteur. Le cylindre est muni de deux hublots en quartz diamétralement opposés (2) permettant d’effectuer une étude spectroscopique. E: Alimentation stabilisée R: Résistance ballast A: Ampèremètre V: Voltmètre Chapitre II : Dispositif expérimental 68 Le volume standard du réacteur est environ de 60l. Nous disposons de plusieurs ‘cloches’ de différentes hauteurs pouvant être placées à l’intérieur de la chambre à arc et permettant de réduire le volume du réacteur à 25 litres ou à 18 litres. Les conséquences de la modification du volume de la chambre d’arc sur le rendement et la propreté des SWCNTs synthétisés feront l’objet du chapitre IV. Le réacteur possède deux vannes, l’une permettant d’effectuer le vide primaire (10-1Pa) à l’intérieur de la chambre d’arc, l’autre permettant le remplissage en gaz rare à la pression de travail désirée. Il est également doté d’une électrovanne permettant de maintenir la pression constante durant chaque expérience. Figure II-3: Chambre à arc- 1: Moteurs, 2: Hublots; 3: Anode; 4: Cathode; 5: Cloche ellipsoïdale; 6 : Support motorisé de la cathode ; P1, P2, P3 : Position des thermocouples 

Les électrodes 

Les électrodes sont disposées verticalement au centre du réacteur contrairement à la grande majorité des dispositifs utilisés dans la littérature adoptant plutôt une disposition horizontale des électrodes [Jo-1][Jo-2][La-2][Ma-1]. Elles sont fixées sur deux supports asservis par deux Chapitre II : Dispositif expérimental 69 moteurs indépendants permettant de les déplacer verticalement. La cathode placée en position supérieure (4) est un barreau de graphite pur et homogène de 6 mm de diamètre et de 6 cm de longueur. L’anode est de type hétérogène: barreau en graphite et homogène, percé d’un trou et rempli de poudre de graphite et de catalyseurs. Elle est placée en position inférieure (3). La résistance ohmique des deux électrodes est d’environ 0.02 Ω et correspond à une chute de tension moyenne Uél ~1.6V. Nous désignons par Ucol, la chute de tension au niveau de la colonne d’arc. La tension totale U mesurée correspond à la somme Uél + Ucol. Puisque Uél est quasiment constante, nous attribuerons les variations de la tension totale à la variation de Ucol. 

 Méthode de préparation de l’anode hétérogène 

La préparation des anodes hétérogènes est relativement facile en comparaison avec celle des anodes homogènes. En effet, ces dernières contiennent des catalyseurs de taille nanométrique (10-300 nm) dispersés uniformément dans l’électrode au moyen d’une technique de pressurisation [So-1]. Le principe de l’anode hétérogène est représenté sur la figure II-4. En faisant une cavité coaxiale de 3,5 mm de diamètre dans une anode en graphite pur et homogène de longueur 5 cm et de 6 mm de diamètre, il est possible d’y introduire des poudres de graphite et de catalyseurs suivant des pourcentages atomiques préalablement définis. Les poudres de nickel, d’yttrium et de graphite préalablement broyées à l’aide d’un mortier en carbure de bore sont ensuite mélangées afin de constituer un mélange le plus homogène possible. Nous avons utilisé deux types de carbone de remplissage : le graphite et le diamant. Deux granulométries moyennes de graphite de remplissage ont donc été utilisées: 1 µm Figure II-4: Principe de l’anode hétérogène Chapitre II : Dispositif expérimental 70 (préparée au sein de notre équipe) et 100µm (fournisseur Chempure). La granulométrie moyenne des poudres de diamant est de 1µm (Sigma-Aldrich). Les résultats d’analyse de ces poudres réalisée au microscope électronique à balayage (MEB) sont représentés sur les figures II-5a, II-5b et II-5c. Figure II-5a: Micrographie réalisée au MEB de la poudre de graphite (φ=100 µm) (ChemPure, ref. 009075) Chapitre II : Dispositif expérimental 71 Figure II-5b: Micrographie réalisée au MEB de la poudre de graphite préparée au LAPLACE (φ<1 µm) Figure II-5c : Micrographie réalisée au MEB de la poudre de diamant (φ=1 µm) (Sigma-Aldrich, ref. 483591-5G) Chapitre II : Dispositif expérimental 72 Les pourcentages des poudres de remplissage utilisées sont consignés dans le tableau II-1 Elément Graphite φ<1 µm Graphite φ=100 µm Diamant φ=1 µm Yttrium Nickel Proportion en % atomique 29 23 31 0.6 0.6 Tableau II-1: Les matières de remplissage utilisées Les densités apparentes du mélange des poudres de remplissage pour chaque type d’anode sont reportées dans le tableau II-2. Type de l’anode Ni/Y/graphite φ=100 µm Ni/Y/graphite φ<1 µm Ni/Y/diamant φ=1 µm Densité apparente Da (g/cm3 ) 1.25 1.51 1.56 Tableau II-2: Densités apparentes des poudres de remplissage L’influence de l’utilisation de chaque type d’anode sur la propreté et le rendement des SWCNTs obtenus ainsi que sur les caractéristiques du plasma feront l’objet du chapitre IV. 

Les thermocouples

 Les gradients thermiques dans la zone de croissance des SWCNTs jouent un rôle déterminant sur la propreté et le rendement des SWCNTs obtenus [Ga-1][Yu-1][Ba-1][Ka-1]. Nous avons effectué des mesures de l’évolution temporelle de la température aux positions P1, P2 et P3 (figure II-3) au moyen de thermocouples. Ceux-ci ont un temps de réponse relativement court (100ms) et peuvent mesurer une température maximale de 1400°C. Les thermocouples P1 et P2 sont placés à 1 cm et à 8cm de la périphérie de la décharge respectivement et perpendiculairement à l’axe des électrodes ; P3 est placé à proximité de la T.A (cf. figure II-3) Chapitre II : Dispositif expérimental 

 Sensibilité de la température pour différentes conditions opératoires 

Nous avons effectué une série d’expériences qui avaient pour but de vérifier si l’évolution temporelle de la température pour une position donnée du thermocouple est sensible d’une condition opératoire à l’autre. Sensibilité à la position P1 Sur la figure II-6, nous avons reporté l’évolution temporelle de la température relevée par le thermocouple P1 pour deux conditions opératoires différentes. On peut constater que les deux courbes sont tout à fait analogues. Nous considérerons donc que l’évolution de la température à la position P1 dépend très faiblement des conditions opératoires. Figure II-6 : Evolution temporelle de la température relevée par le thermocouple P1 pour deux conditions opératoires différentes Sensibilité à la position P2 Sur la figure II-7, nous avons reporté l’évolution temporelle de la température à la position P2 pour trois conditions expérimentales différentes. On peut constater que les courbes sont similaires tant au niveau allure qu’au niveau de la température maximale atteinte (environ 180°C). Nous considérerons donc également qu’à la position P1, l’évolution de la température est la même quelles que soient les conditions opératoires.