Analyse Thermique Différentielle – (ATD) Une des méthodes utilisées pour l’étude des propriétés thermiques des matériaux énergétiques. Dans la technique ATD, la différence de température entre un échantillon et une substance inerte de référence est mesurée, alors que les deux spécimens sont soumis à un programme de température identique. Si l’échantillon sous étude génère de la chaleur, sa température sera plus élevée que celle de la substance de référence. Au contraire, si l’échantillon absorbe de la chaleur, sa température sera plus faible que celle de la substance de référence. Lors du programme de température, les spécimens sont le plus souvent chauffés à taux constant (typiquement de 2 à 20°C à la minute) ou maintenus à température constante (isotherme). L’un des avantages de la technique ATD est que l’appareil peut facilement être conçu de façon robuste de sorte que, en général, des températures plus élevées peuvent être atteintes (typiquement 1400-1500°C) comparativement à la Calorimétrie Différentielle Programmée (CDP). Une vue schématisée d’un appareil ATD est montée à la Figure 1, ici-bas.
Fig. 1 Vue Schématisée d’un appareil ATD typique
Fig. 2 Appareil TG-ATD typique. Haut : appareil couplé à un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et un spectromètre de masse; Bas : vue détaillée de la configuration de l’échantillon dans la fournaise de l’appareil (position ouverte).
Un appareil TG-ATD simultané est montré à la Figure 2. Dans ce cas-ci l’appareil enregistre également la masse de l’échantillon en même temps que la différence de température. Cet appareil particulier est également couplé à un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et un spectromètre de masse pour la détection des espèces gazeuses émises.
Dans de tels instruments, la taille de l’échantillon est limitée à environ 10 mg d’un matériau énergétique de façon à ne pas endommager l’appareil. Cette taille réduite des échantillons implique qu’il peut être difficile de produire des compositions énergétiques suffisamment bien mélangées à cette échelle. De façon typique, plusieurs échantillons devraient être testés, ainsi que chacune des composantes pures, afin d’établir la reproductibilité de la composition. L’échantillon et le matériau de référence sont normalement contenus dans des creusets d’alumine ouverts. Les expériences peuvent être effectuées dans l’air ou sous atmosphère inerte (N2, He ou Ar). La nature de la purge de gaz et le taux de purge sont normalement rapportés comme paramètres expérimentaux. La technique ATD ne fournit que des informations qualitatives sur le flux de chaleur dégagé ou absorbé par le matériau énergétique.
Avant d’effectuer une expérience avec un échantillon du matériau à l’étude, l’appareil ATD est normalement étalonné en température en soumettant des substances pures ayant des points de fusion connus au même programme de température et sous des conditions identiques (même taux de chauffe, même purge de gaz, même type de creuset). Il existe des procédures ASTM bien connues pour effectuer ces étalonnages.
Fig. 3 Courbe thermique ATD pour de la poudre noire (grade 5FA) dans un creuset d’alumine ouvert (5 mg). Conditions : taux de chauffe 5 °C min-1; purge d’air sec à 50 cm3 min-1.
Une courbe ATD pour le cas d’un échantillon de poudre noire (grade 5FA, 5 mg) chauffé à 5°C min-1 dans un flux constant d’air (50 cm3 min-1) est montrée à la Figure 3. Plusieurs structures sont observées et leur interprétation a été grandement simplifiée par les appareils de détection des espèces gazeuses couplés à l’appareil montré à la Figure 2. La pente négative de la courbe, dans la plage de température inférieure à 200°C, indique qu’un processus d’évaporation est actif. Ceci est probablement causé par l’évaporation partielle du soufre. Dans cette plage de température, on peut également observer la transition de phase rhombique/monoclinique du soufre à 108°C (1), la fusion du soufre à 116°C (2), et la transition de phase rhombique/trigonale du KNO3 à 133°C. Ces dernières étant des processus endothermiques, elles apparaissent comme des pics négatifs sur la courbe thermique (flux de chaleur absorbé par l’échantillon). Un pic exothermique étendu est observé à environ 235°C (4). Ce dernier est du à l’oxydation du soufre restant en phase liquide. Un autre pic exothermique, s’étendant de 275 à 350°C (maximum à 325°C (5)) est observé. Ce dernier masque partiellement l’endotherme associé à la fusion du KNO3 à 330°C (6). Cet exotherme est probablement du à l’oxydation du carbone libre, généré lors de la décomposition des hydrocarbures contenues dans le charbon de bois, provoquée par la présence d’oxygène dans la purge gazeuse. Le dernier exotherme, s’étendant entre 350 et 450°C, correspond à l’oxydation du charbon de bois par le KNO3.