PRESSIONS PHYSIQUE & CHIMIE DES HAUTES

Élaboration de matériaux

L'élaboration de matériaux est très générale et porte aussi bien sur la production de matériaux existant déjà dans la nature que sur celle de matériaux nouveaux constitués par les phases haute pression.

On effectue la recristallisation par voie hydrothermale, en faisant usage d'eau supercritique, additionnée d'agents complexants pour assurer la dissolution et le transport du corps à recristalliser. Le quartz est produit industriellement par ce procédé (conditions voisines de 400 ⁰C et 150 MPa). Dans cette technique la pression facilite la dissolution en permettant l'augmentation de la température.

Des pressions modestes (de quelques centaines de MPa) sont indispensables dans de nombreuses synthèses organiques, et ces dernières, en particulier les réactions de polymérisation, sont utilisées à grande échelle dans l'industrie chimique (polymérisation de l'éthylène vers 250 ⁰C et 150 MPa).

La production de phases stables est possible sous haute pression. L'exemple le plus célèbre dans ce domaine est celui du diamant qui, étant une forme dense du carbone cristallisé, n'est pas la phase stable à la pression ordinaire. La conversion directe du graphite (hexagonal) en diamant (cubique) se produit avec une extrême rapidité le long de la courbe de fusion extrapolée du graphite, c'est-à-dire à des pressions dépassant 13 GPa, mais les cristaux obtenus dans ces conditions ont eu jusqu'ici des dimensions inférieures au micromètre, car la diffusion n'a pas le temps d'intervenir. On utilise, pratiquement, un procédé de conversion indirect à partir d'une solution de graphite dans un métal approprié, notamment du fer ou du nickel, dans des conditions voisines de 4,5 à 6 GPa et 1 400 à 1 700 ⁰C (région en grisé du diagramme de la figure). Ces diamants ont des dimensions allant d'une fraction de millimètre à quelques millimètres et sont utilisés dans l'industrie comme abrasifs (meules notamment). Les temps de croissance du cristal sont en général inférieurs à une heure, sauf si les cristaux sont volumineux (jusqu'à 5 mm de largeur).

La synthèse du nitrure de bore cubique est semblable à celle du diamant. Le matériau de départ est le nitrure de bore hexagonal, avec un catalyseur comme le lithium. Les conditions physiques de pression, de température et de temps de confinement sont semblables à celles que l'on a pour le diamant. Le nitrure de bore cubique est préférable au diamant pour la fabrication d'outils abrasifs utilisés dans l'usinage des aciers durs ou des alliages à base de nickel.

Frittage et densification sous pression

Le frittage du diamant devrait s'effectuer dans un domaine de température compris entre 1 800 et 2 400 ⁰C, et à des pressions variant entre 7 et 10 GPa. Cependant, il est possible de travailler dans des conditions de température et de pression plus faibles, en utilisant un catalyseur comme le fer, le cobalt ou le nickel. Le frittage réalisé entre 5,5 et 6 GPa, à des températures voisines de 1 450 ⁰C, fournit un composé qui a suffisamment de liaisons diamant-diamant pour être très résistant. Le mécanisme du phénomène est probablement une recristallisation[...]