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Appareillage : INTRODUCTION Les progrès réalisés dans tout domaine de recherche

Appareillage : INTRODUCTION Les progrès réalisés dans tout domaine de recherche scientifique dépendent en grande partie de l’équipement disponible. La croissance des cristaux ou le traitement des matériaux dans des conditions hydrothermiques nécessitent un récipient sous pression capable de contenir un solvant hautement corrosif à haute température et pression. Les recherches expérimentales dans des conditions hydrothermales exigent des installations qui doivent fonctionner de façon régulière et fiable dans des conditions de pression et de température extrêmes. Ainsi, l’expérimentateur doit faire face à une variété de difficultés, et souvent, des problèmes particuliers concernant la conception, la procédure et l’analyse. Concevoir un appareil hydrothermique approprié ou idéal, communément appelé autoclave, est la tâche la plus difficile, et peut-être impossible à définir, car chaque projet a des objectifs et des tolérances différents. Dans le ch. 2, nous décrivons l’évolution historique de la technologie hydrothermique étroitement associée au développement de l’instrumentation. Si l’on examine l’évolution historique de la conception et de la fabrication des autoclaves, l’ensemble de l’activité a été concentré en Europe seulement au cours du XIXe siècle. Ce n’est qu’après la révolution industrielle américaine que l’activité s’est lentement propagée dans les autres parties du monde. Ici, nous discutons seulement des autoclaves ou des réacteurs hydrothermiques utilisés dans le monde entier; ils ont tous été développés au cours du XXe siècle. Il existe une grande variété d’appareils dans la technologie hydrothermique. La plupart des travailleurs précédents avaient traité cet aspect à leur manière. Par conséquent, nous avons fait une étude approfondie de toute la littérature disponible et le présenter ici dans cette section d’une manière simple pour faire comprendre au lecteur facilement les problèmes de conception, de fabrication et de maintenance. L’étude de la littérature indique clairement deux écoles de conception autoclave : 1) l’école occidentale et 2) l’école russe. Le premier est très important car il domine la plupart des premiers modèles et ceux-ci sont devenus plus tard les modèles standards dans le monde entier. La plupart de ces modèles sont relativement simples et assez anciens (conçus avant les années 1970), tandis que l’école russe avait dominé ce domaine à partir des années 1970 et est sorti avec de nombreux nouveaux modèles. Le Bureau spécial de la construction de l’Institut de cristallographie, Académie des sciences, Moscou, Fédération de Russie, a conçu plusieurs nouveaux autoclaves pour répondre à une tâche spécifique, soit la culture de cristaux uniques ou l’étude des aspects physicochimiques tels que la solubilité, PVT-comportement, et ainsi de suite. En outre, plusieurs anciens laboratoires hydrothermaux soviétiques ont produit leurs propres conceptions en fonction de leurs besoins et du type de cristal ou de matériau à l’étude. Évidemment, la plupart de ces autoclaves ne sont que locaux et n’ont pas été adoptés dans le monde entier. Par conséquent, pour le bénéfice du lecteur, nous considérons seulement les autoclaves standards utilisés dans le monde entier et quelques conceptions importantes de l’école russe. Avec la désintégration de l’ancienne Union soviétique, il n’y a pas beaucoup de développement dans le domaine de la conception et de la fabrication de nouveaux autoclaves. Les groupes japonais sortent avec de nouveaux modèles d’autoclaves pour des applications dans la croissance des cristaux et le traitement des matériaux. Un autoclave hydrothermal idéal devrait avoir les caractéristiques suivantes : i. Insensibilité aux acides, aux bases et aux agents oxydants. ii. Facile à assembler et à dissimuler. iii. Une longueur suffisante pour obtenir un gradient de température souhaité. iv. Étanche avec des capacités illimitées à la température et à la pression requises. v. suffisamment robuste pour supporter des expériences à haute pression et température pendant une longue durée, de sorte qu’aucun usinage ou traitement n’est nécessaire après chaque essai. Les autoclaves les plus couramment utilisés dans la recherche hydrothermale sont énumérés au tableau 3.1. [1] La majorité de ces autoclaves sont des récipients à pression chauffés à l’extérieur et leur plage de pression-température ne peut être étendue davantage en raison de l’absence d’alliages réfractaires appropriés. Toutefois, les appareils à pression chauffés à l’interne sont maintenant disponibles sur le marché jusqu’à 10 kbar et 1400 °C. La liste présentée dans le tableau ne comprend pas certaines conceptions récentes, modifications ou mises à niveau, car leurs applications se limitent à des études précises. CHOIX DES MATÉRIAUX AUTOCLAVE ET AUTOCLAVE Lors du choix d’un autoclave approprié, le premier paramètre est la température expérimentale et les conditions de pression et la résistance à la corrosion dans cette plage de pression-température dans un solvant ou un fluide hydrothermique donné. Si la réaction se produit directement dans la cuve, la résistance à la corrosion est bien sûr un facteur primordial dans le choix du matériau autoclave. Les matériaux les plus performants sont les alliages résistants à la corrosion, tels que l’acier inoxydable série 300 (austénitique), le fer, le nickel, les superalliages à base de cobalt et le titane et ses alliages. Plusieurs travailleurs ont examiné les propriétés de certains alliages utilisés couramment dans la fabrication des autoclaves hydrothermiques.[2][3] Les tableaux 3.2, 3.3 et 3.4 donnent certaines propriétés de ces alliages. La propriété critique d’un matériau utilisé dans un autoclave hydrothermique est sa résistance à la rupture par fluage, une mesure de la durée jusqu’à la rupture d’un matériau soumis à des contraintes à une température donnée. De même, la résistance à la traction et la limite d’élasticité doivent être prises en compte. Dans la série 300 d’aciers inoxydables, 316 a la plus grande résistance à la rupture par fluage. Les super alliages sont généralement beaucoup plus forts que SS 316, même à des températures plus élevées. Le titane métal pur, bien que résistant aux acides, est faible et difficile à manipuler, mais certains alliages de titane ont des forces comparables aux aciers inoxydables. Le titane pur, en raison de sa résistance supérieure à la corrosion, peut être utilisé comme autoclave jusqu’à environ 300 °C ou plus. Sa résistance au fluage relativement faible devient inadéquate. Par exemple, après 36 heures à 300 °C dans du HCl de 0,5 M + 1,5 M de NaCl, minéralisateur, le titane était légèrement corrodé/terni, mais il était nettement corrodé dans du HCl de 6 M à 300 °C. Il est soluble même à température ambiante dans l’acide phosphorique et est modérément résistant aux solutions sulfatées acides. [4] Une résistance supplémentaire pour les alliages est nécessaire parce que les forces réelles des alliages dans des conditions de fonctionnement normales sont inférieures à leurs forces dans des conditions idéales en raison de divers processus de corrosion qui se produisent pendant les réactions hydrothermiques ainsi que des changements structurels dus à recuit partiel de l’alliage dans des conditions de service de température. Cela est d’autant plus compliqué par la géométrie du navire, car la contrainte efficace est plus intense dans les zones de forte courbure. En outre, il est à noter que la résistance à la rupture par fluage diminue considérablement avec l’augmentation de la température, abaissant ainsi la pression maximale admissible d’une expérience à température plus élevée. Les alliages d’acier inoxydable ou de titane ont tendance à former une surface d’oxyde imperméable, ce qui empêche l’oxydation continue. Ainsi, la résistance à la corrosion d’un alliage dépend de la perméabilité, de la réactivité et de la solubilité de cette couche d’oxyde dans le fluide corrosif. Évidemment, une couche si perméable que les solutions peuvent pénétrer et entrer en contact avec le métal non oxydé peut réagir avec le métal sous-jacent. La corrosion peut être la corrosion par crevasse, la fissuration par corrosion sous contrainte et l’attaque intergranulaire. La corrosion de la crevasse peut être évitée par une agitation appropriée du navire et le polissage de la surface intérieure. La corrosion intergranulaire peut être évitée par l’utilisation d’acier inoxydable à faible teneur en carbone, ou par l’alliage avec de petites quantités de métaux formant des carbures très stables. La corrosion sous contrainte peut être ralentie par un recuit approprié de l’alliage utilisé pour la fabrication des autoclaves, et par l’utilisation d’aciers austénitiques contenant du molybdène. L’expérimentateur hydrothermique devrait accorder une attention particulière aux systèmes contenant de l’hydrogène dans des conditions hydrothermales. L’hydrogène à haute température et/ou pression peut avoir un effet désastreux sur les alliages utilisés dans la fabrication des autoclaves. Il réduit la résistance des autoclaves par l’un des processus suivants : fragilisation de l’hydrogène, dommages irréversibles de l’hydrogène, ou formation de métal-hydrure. Ces problèmes pourraient être surmontés par une sélection soigneuse d’alliages contenant de petits additifs tels que Ti, Mo, V, le chauffage en atmosphère libre de H2, et l’utilisation d’alliages à faible activité thermodynamique. Le choix de l’autoclave se fait généralement en considérant les aspects discutés ci-dessus en conséquence, pour le type de matériau ou de composé à l’étude, le milieu dans lequel la réaction a lieu, et les conditions de pression-température expérimentales. Certains cristaux peuvent être cultivés facilement dans l’autoclave sans doublure, doublures ou boîtes. Par exemple, la croissance du quartz peut être réalisée dans des autoclaves en acier à faible teneur en carbone. L’acier à faible teneur en carbone est résistant à la corrosion dans les systèmes contenant de la silice et uploads/Industriel/ apparei-llage 1 .pdf