Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 170-178.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 121-133. Glossaire.

Th. Univ.--Sci. des matériaux--Paris 6, 1989. / Bibliogr. p. 173-176.

L’ouverture sélective de cycles aromatiques sur catalyseurs bifonctionnels peut en principe aboutir à une augmentation de l’indice de cétane des gazoles. Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur l’iridium supporté sur silice-alumine amorphe (ASA) comme catalyseur d’hydroconversion de la tétraline en présence de H2S à 250-350 °C dans un microréacteur continu sous pression (4 MPa). Une étude détaillée par analyse thermique et diffraction X in situ du processus de décomposition du précurseur acétylacétonate d’iridium a permis d’optimiser l’étape d’activation. Unesimple réduction sous H2 à 350 °C aboutit à des nanoparticules Ir finement dispersées (taille 1.4 ± 0.2nm). Le catalyseur Ir/ASA est stable et résiste à l’empoisonnement par le soufre, contrairement à Ir/SiO2 et Ir/Al2O3. Les principaux produits d’hydroconversion de la tétraline sont les produits d’hydrogénation (décalines) et les produits d’ouverture et de contraction de cycle (POCC). L’analyse par chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle (GC��GC-MS) montre que les POCC se répartissent en produits d’ouverture saturés et aromatiques, minoritaires, et en produits de contraction saturés et aromatiques, majoritaires. Les performances catalytiques de Ir/ASA ont pu être modifiéesvia des effets de support, d’alliage et de taille. Pour une composition Si:Al d’environ 0,5, l’acidité de Brönsted du support est maximale, ce qui conduit à une activité totale et une sélectivité en POCC maximales. D’autre part, l’activité augmente par ajout de palladium, et la sélectivité en POCC est maximale pour la composition Ir-Pd intermédiaire. Les analyses par TEM-EDX montrent que la teneur en Pd des nanoparticules augmente avec leur taille. Enfin, la sélectivité en POCC croîtconsidérablement avec la taille des particules, qui a été ajustée entre 2 et 8 nm par frittage thermiqueen atmosphère humide. Cela s’explique par une diminution du rapport entre les quantités de sitesmétalliques et de sites acides de Brönsted dans le cadre d’un mécanisme bifonctionnel. / Selective ring opening of aromatics over bifunctional catalysts is expected to increase gas oil cetane number. In this work, we have focused on iridium supported on amorphous silicaalumina (ASA) for catalytic hydroconversion of tetralin in the presence of H2S at 250-350 °C, using a continuous high-pressure (4 MPa) microreactor. A detailed study of the decomposition of the Ir acetylacetonate precursor by thermal analysis and in situ X-ray diffraction has allowed us to optimize the activation treatment. A simple reduction in H2 at 350 °C leads to well-dispersed nanoparticles (size 1.4 ± 0.2 nm). Unlike Ir/SiO2 and Ir/Al2O3 catalysts, Ir/ASA is stable and resists to poisoning by sulphur. The main tetralin hydroconversion products are hydrogenation products (decalins) and ringopening/contraction products (ROCP). Advanced analysis by tow-dimensional gas chromatography(GC��GC-MS) shows that ROCP are composed mostly of saturated and aromatic ring-contractionproducts, and to a lower extent of saturated and aromatic ring-opening products. The catalyticperformances of Ir/ASA could be modified through support, alloy and size effects. For a Si:Alcomposition of ca. 0.5, the Brönsted acidity of the support is maximal, which leads to the highest totalactivity and ROCP selectivity. Besides, the activity increases with palladium addition, and the ROCPselectivity is maximum at intermediate Ir-Pd composition. TEM-EDX analyses show that the Pdcontent of nanoparticles increases with their size. Finally, the ROCP selectivity increases dramaticallywith particle size, which was tuned in the 2-8 nm range by thermal sintering in a wet atmosphere. Thisis explained by a decrease of the amount of metallic sites with respect to Brönsted acid sites within abifunctional mechanism.

Les aciers inoxydables austénitiques sont très utilisés dans l’industrie. Reconnus pour leur résistance à la corrosion, ils le sont également pour leur forte susceptibilité à l’usure adhésive (grippage). Cela a pour conséquence une dégradation accélérée des matériaux, ce qui conduit à des pannes brutales, à des pertes de performances et à une augmentation des coûts d’exploitation. Le CETIM et le CIRIMAT explorent des solutions basées sur des revêtements protecteurs afin de diminuer le coefficient de frottement et le volume d’usure. Des sols chargés en carbone sont élaborés et déposés par trempage-retrait sur des substrats en acier inoxydable 304L. Après gélification et traitement thermique en atmosphère inerte, des revêtements carbone-céramique d’une épaisseur d’environ 2 à 7 μm sont obtenus. Deux matrices (alumine et alumine-silice) sont étudiées, ainsi que différentes charges carbonées: du graphite commercial et des nanotubes de carbone (NTC) dont le nombre de parois moyen est égal à 2, 8 ou 20. Des essais tribologiques rotatifs bille-plan réalisés selon la norme ASTM G99 (bille en acier, charge normale 2N, vitesse 10 cm/s, 250 m de glissement) ont montré que les revêtements graphite-alumine présentent un plus faible coefficient de frottement et une plus faible usure que les revêtements alumine et NTC-alumine. Nous montrons que la surface totale de carbone disponible dans l’échantillon est le paramètre pertinent et que l’exfoliation progressive du graphite en graphène oligocouche (2-5) pendant l’essai permet de générer in situ de nouvelles surfaces, tandis que les NTC ne subissent pas d’endommagement majeur. Nous mettons en évidence la formation d’un tribofilm lubrifiant au contact bille/revêtements composites. Nous nous sommes donc orientés vers la pré-exfoliation du graphite dans le sol par différentes méthodes. Nous mettons en évidence qu’une méthode impliquant de grandes contraintes de cisaillement permet la pré-exfoliation efficace du graphite, la surface de carbone étant alors 1300 fois plus grande qu’avec la dispersion par sonde à ultrasons. Nous montrons que ce sont les échantillons GBC-alumine qui présentent les plus faibles volumes d’usure (0,0023 mm3) et coefficient de frottement (0,14) de ce travail. Le dernier chapitre est consacré à l’étude de l’adhérence du revêtement au substrat et du comportement tribologique des revêtements lors d’un essai industriel sévère (ASTM G133). Il est notamment mis en évidence que les revêtements à matrice alumine-silice présentent une meilleure adhérence que ceux à matrice alumine. / Austenitic stainless steels are widely used in industry. Recognized for their resistance to corrosion, they are also known for their high susceptibility to adhesive wear (seizure). This results in accelerated material degradation leading to sudden failures, loss of performance and increased operating costs. CETIM and CIRIMAT are actively exploring solutions based on protective coatings in order to reduce the friction coefficient and the wear volume. Carbon-loaded sols are prepared and deposited by dip-coating on 304L stainless steel substrates. After gelation and heat-treatment in an inert atmosphere, carbon-ceramic coatings about 2 to 7 μm thick are obtained. Two matrices (alumina and alumina-silica) are studied, as well as different carbonaceous fillers: commercial graphite and carbon nanotubes (CNT) with an average number of walls equal to 2, 8 or 20. Rotative friction tests performed according to the ASTM G99 standard (steel ball, normal load 2N, velocity 10 cm/s, distance 250 m) have shown that the graphite-alumina coatings show a lower friction coefficient and a lower wear than the alumina- and CNT-alumina coatings. We show that the total available carbon surface area in the sample is the relevant parameter and that the progressive exfoliation of graphite to flew-layered-graphene (2-5) during the test generates new surfaces in situ whereas the CNT do not sustain any major damage. We bring to light the formation of a lubricating tribofilm in the contact between the friction ball and the composite coating. Therefore, we have focused on the pre-exfoliation of graphite in the sol by different methods. We show that a method involving high shear stresses allows an efficient pre-exfoliation of graphite, the carbon surface area being 1300 times higher than when performing the dispersion using an ultrasonic probe. We show that the BLG-alumina samples have the lowest wear volumes (0.0023 mm3) and friction coefficient (0.14) reported in this work. The last chapter is devoted to the study of the adhesion of the coating to the substrate and to the tribological behavior of the coatings in a severe industrial test (ASTM G133). It is notably demonstrated that the alumina-silica matrix coatings show a better adhesion than the alumina-matrix ones.

Le Canada est un joueur majeur dans l’industrie de l’aluminium. Pour demeurer compétitif mondialement, le coût de production de l’aluminium doit constamment être réduit. Les cellules d’électrolyse requièrent une grande quantité d’énergie (~13 kWh/kg) pour produire l’aluminium. De plus, l’efficacité du procédé Hall-Héroult est diminuée par la présence de dépôts à l’interface entre l’aluminium et le bloc cathodique. Ces dépôts causent une restriction pour le passage du courant engendrant une augmentation de la perte de potentiel. Les dépôts à la surface du bloc cathodique se divisent en différentes catégories. Il y a le pied de talus qui est situé sous le talus et sur le bloc cathodique. La partie du pied de talus près de la paroi de la cellule d’électrolyse possède une composition chimique similaire au talus. La partie à l’extrémité du pied de talus possède un ratio de cryolite plus élevé que le talus et elle est davantage sursaturée en alumine. L’extrémité du pied de talus peut atteindre jusqu’à 85 % d’Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3]. Le pied de talus se forme par les pertes de chaleur situées au niveau de la paroi et au fond de la cellule. Il prend de l’expansion lorsque la température locale est inférieure à la température de solidification de la phase Na[indice inférieur 3]AlF[indice inférieur 6] (944 °C à un ratio de cryolite de 2,5). Le ratio de cryolite de l’extrémité du pied de talus augmente puisqu’il y a migration des cations Na[indice supérieur +] vers la cathode. La boue est composée d’un mélange d’Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3] solide en suspension dans le bain électrolytique liquide. Elle est située, en général, au centre de la cellule d’électrolyse et sur le bloc cathodique. De plus, un film de bain sursaturé en alumine peut se retrouver entre le pied de talus et la boue au centre. Le ratio de cryolite de la boue se situe entre 2,2 et 2,5 et la concentration d’Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3] varie entre 20 % et 50 %. La température de solidification de la phase Na[indice inférieur 3]AlF[indice inférieur 6] est fortement influencée par l’excès d’AlF[indice inférieur 3] et par la concentration en CaF[indice inférieur 2]. De plus, il y a présence d’une fraction liquide dans les dépôts dès 730 °C compte tenu de la présence de Na[indice inférieur 5]Al[indice inférieur 3]F[indice inférieur 14], Na[indice inférieur 2]Ca[indice inférieur 3]Al[indice inférieur 2]F[indice inférieur 14] et NaCaAlF[indice inférieur 6]. La fraction liquide augmente lorsque le ratio de cryolite diminue. Il y a évaporation de bain acide à partir d’environ 730 °C. Les dépôts dans la cellule d’électrolyse sont donc à l’état solide-liquide dès que la température atteint environ 730 °C.

La problématique scientifique de ce travail porte sur le rôle des paramètres de l'alumine sur les évolutions physico-chimiques de matériaux du système CaO-Al2O3. L'objectif de cette étude a donc été d'identifier les paramètres de l'alumine et autres paramètres d'élaboration ayant une influence sur les interactions physico-chimiques au sein d'un système CaO-Al2O3 dans le but d'expliquer et d'optimiser le comportement mécanique de bétons conventionnels réfractaires dans le domaine de température 800-1200°C. Les bétons réfractaires conventionnels sont des composés hétérogènes constitués de granulats d'alumine tabulaire qui jouent le rôle de squelette, liés par une matrice cimentaire, celle-ci étant constituée de clinker et d'alumine fine. Cette zone de température, entre la déshydratation et la céramisation, n'a fait l'objet que de rares études. La méthodologie adoptée, compte tenu de la complexité du matériau béton, a été la fabrication de matériaux « modèles » en voie sèche afin de simplifier et de maîtriser les microstructures, pour prendre en compte l'influence d'un seul paramètre à la fois et établir les relations entre les paramètres d'élaboration, de microstructure et de propriétés mécaniques. La première partie de l'étude a été consacrée à l'étude des propriétés intrinsèques de la phase liante, dans laquelle ont été mis en exergue les paramètres de l'alumine (surface spécifique, morphologie, et impuretés) ayant une influence sur les paramètres microstructuraux permettant une meilleure réactivité et une meilleure tenue mécanique de la matrice cimentaire. La formation de la phase dicalcique CA2 et le degré d'homogénéité du système sont les deux principaux paramètres qui influent sur la tenue mécanique de la matrice cimentaire : le frittage réactif aboutissant à la phase dicalcique contribue notablement à la consolidation du matériau. Il a été montré la réactivité est favorisée par des alumines de grande surface spécifique et contenant des impuretés, comme la silice et la soude. Un modèle statistique prévisionnel a également été mis au point dans le but de prédire le comportement mécanique des matrices cimentaires selon l'alumine choisie. Ces études, confrontées aux résultats issus de la littérature, ont confirmé que les aluminates de calcium se formaient par diffusion des ions Ca2+ vers les alumines à travers les aluminates de calcium riches en chaux.La deuxième partie de cette étude a permis de caractériser les interactions entre matrice cimentaire et granulats d'alumine tabulaire, et de mettre en avant la formation d'interphases entre les deux constituants. Ces interphases sont d'autant plus importantes et cohésives que les matrices cimentaires sont constituées d'alumines fines et impures, enrichies en chaux (même rapport A/C), et de variations dimensionnelles contrôlées. De cette étude, nous avons pu identifier les leviers permettant d'optimiser les propriétés des matériaux du système CaO-Al2O3 dans le domaine de température intermédiaire 800-1200°C.

Le comportement en corrosion d'alliages chromine (Cr2O3) et alumine (Al2O3) formeurs dans des verres sodo-calciques à haute température a été étudié en utilisant des techniques électrochimiques. Les mécanismes réactionnels de la corrosion par ce type de milieu ont ainsi pu être abordés, de même que les aspects cinétiques. Les résultats ont montré que l'alumine n'est pas capable de protéger les alliages, étant donnée sa très forte solubilité dans le verre. Cependant, les alliages chromine formeurs ont montré une meilleure résistance à la corrosion, et ce s'ils ont subi un traitement de pré-oxydation. Une compétition entre la croissance de la couche de chromine et sa dissolution régit la durée de vie de la couche protectrice. Ainsi la physico-chimie de la chromine en milieu verre fondu a été étudiée. Sa solubilité a été mesurée afin de comprendre l'influence des paramètres température (T), fugacité en oxygène (fO2) et composition du verre. Une étude cinétique a mis en évidence l'influence de ces paramètres sur les mécanismes et le temps de mise à l'équilibre. D'un point de vue thermodynamique, l'influence des paramètres T et fO2 sur la solubilité du chrome dans des verres ternaires Na2O-CaO-xSiO2 est cohérente avec celle déjà observée sur des verres binaires Na2O-xSiO2, la solubilité de la chromine étant bien plus faible dans les verres ternaires. L'influence de la basicité a été étudiée en prenant en compte la basicité optique théorique (^th) et l'activité en oxyde de sodium (aNa2O). Les rapports redox (CrII/CrIII et (CrVI/CrIII) ont été déterminés suite à un affinement mathématique. Les grandes différences observées par rapport aux résultats théoriques (vérifiés dans les verres binaires) dans le cas où la spéciation du chrome intervient laissent penser que l'oxyde de calcium CaO influe sur les réactions impliquant le couple O2/O2- / The corrosion behaviour of chromia (Cr2O3) and alumina (Al2O3) forming alloys in soda-lime silicate melts was studied by using electrochemical measurements. The general aspects of the corrosion by molten glass as well as the redox reactions and the kinetics ruling the corrosion process were determined. The results revealed that Al2O3 is not able to provide protection against corrosion since it has a high dissolution in the melt. However Cr2O3 forming alloy could resist against corrosion if the alloy was subjected to a preoxidation treatment. A competition between the oxide growth and its dissolution in the melt rules the durability of the protective Cr2O3 layer. Thus, the physicochemistry of Cr2O3 in molten glass was then studied in order to understand the influence of temperatures (T), oxygen fugacities (fO2) and glass composition on the limit of solubility of Cr2O3. A preliminary kinetics study revealed that the time to reach equilibrium varies with these parameters. A thermodynamic study showed that the influence of T and fO2 on the Cr2O3 solubility in ternary soda-lime silicate melts (Na2O-CaO-xSiO2) is in coherence with results previously obtained in binary melts (Na2O-xSiO2). Nevertheless, the Cr2O3 solubility in ternary melts is lower than in binary melts. The influence of basicity was studied in both melts by taking into account the theoretical optical basicity (^th) and the activity of Na2O (aNa2O). The redox ratios (CrII/CrIII and CrVI/CrIII) were determined through a mathematical refinement. The comparison with the results obtained in binary melts and the deviation from the theoretical values expected when speciation of Cr is involved, induced assumptions on the role played by CaO in influencing the reactions involving species from O2-/O2 couple

L'étude porte sur l'élaboration et la caractérisation des propriétés mécaniques de composites architecturés alumine / acier inoxydable 316L. Les matériaux obtenus sont doublement composites dans le sens où ils sont constitués d'un empilement de couches successives (architecture), chacune de ces strates étant elle-même un composite métal/céramique dispersé. Les différents aspects abordés concernent l'élaboration de monolithes composites dispersés par métallurgie des poudres, la détermination des propriétés mécaniques des architectures par mesure et simulation numérique, et la problématique de la réalisation de composites architecturés. L'observation des monolithes a mis en évidence un effet inhibiteur du carbone sur la densification de l'alumine lors du frittage. Des interactions complexes relient le carbone (issu d'un déliantage incomplet), l'acier (et sa microstructure) et le chrome, agissant sur la densité de ce type de matériau, et rendant l'élaboration délicate. Des lois de comportement ont pu être obtenues pour ces composites dispersés, par une approche double mêlant calculs d'homogénéisation (pour l'élasticité) et modèle analytique basé sur des mesures expérimentales (pour la plasticité). Ces lois ont permis la modélisation par éléments finis d'un choc plan à faible énergie sur différentes architectures composites en couches. La comparaison de ces résultats avec des essais expérimentaux a mis en évidence que la présence d'une architecture améliore la résistance au choc par rapport aux monolithes, ainsi que certains paramètres agissant sur la tenue au choc, comme l'épaisseur globale du matériau.

L'ouverture sélective de cycles aromatiques sur catalyseurs bifonctionnels peut en principe aboutir à une augmentation de l'indice de cétane des gazoles. Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur l'iridium supporté sur silice-alumine amorphe (ASA) comme catalyseur d'hydroconversion de la tétraline en présence de H2S à 250-350 °C dans un microréacteur continu sous pression (4 MPa). Une étude détaillée par analyse thermique et diffraction X in situ du processus de décomposition du précurseur acétylacétonate d'iridium a permis d'optimiser l'étape d'activation. Unesimple réduction sous H2 à 350 °C aboutit à des nanoparticules Ir finement dispersées (taille 1.4 ± 0.2nm). Le catalyseur Ir/ASA est stable et résiste à l'empoisonnement par le soufre, contrairement à Ir/SiO2 et Ir/Al2O3. Les principaux produits d'hydroconversion de la tétraline sont les produits d'hydrogénation (décalines) et les produits d'ouverture et de contraction de cycle (POCC). L'analyse par chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle (GC��GC-MS) montre que les POCC se répartissent en produits d'ouverture saturés et aromatiques, minoritaires, et en produits de contraction saturés et aromatiques, majoritaires. Les performances catalytiques de Ir/ASA ont pu être modifiéesvia des effets de support, d'alliage et de taille. Pour une composition Si:Al d'environ 0,5, l'acidité de Brönsted du support est maximale, ce qui conduit à une activité totale et une sélectivité en POCC maximales. D'autre part, l'activité augmente par ajout de palladium, et la sélectivité en POCC est maximale pour la composition Ir-Pd intermédiaire. Les analyses par TEM-EDX montrent que la teneur en Pd des nanoparticules augmente avec leur taille. Enfin, la sélectivité en POCC croîtconsidérablement avec la taille des particules, qui a été ajustée entre 2 et 8 nm par frittage thermiqueen atmosphère humide. Cela s'explique par une diminution du rapport entre les quantités de sitesmétalliques et de sites acides de Brönsted dans le cadre d'un mécanisme bifonctionnel.