PRESSIONS PHYSIQUE & CHIMIE DES HAUTES

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Applications des hautes pressions

L'intervention des hautes pressions est constante et importante dans presque toutes les techniques de production et d'utilisation d'énergie mécanique (moteurs, turbines, presses, armes, propulseurs divers...). À ce point de vue, l'étude des propriétés de la matière, principalement à l'état fluide, dans des conditions élevées de pression (et aussi de température) apporte les données indispensables au développement de ces techniques. Quelques exemples d'application suivent, qui concernent la mise en œuvre pratique des effets spécifiques de la pression sur les propriétés de la matière.

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).

Phases du carbone

Dessin : Phases du carbone

Diagramme de phases du carbone. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Phases du carbone

Dessin : Phases du carbone

Diagramme de phases du carbone. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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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 du diamant, par suite des différences de contraintes locales. Fréquemment, les grains de diamant sont frittés in situ en une couche fine sur un outil formé d'un bloc de carbure de tungstène. La taille des grains de diamant peut varier de 0,01 à 0,1 mm ; la couche de diamant polycristallin, d'environ 1 mm d'épaisseur, est très dure et résistante. Ces outils sont utilisés pour couper et usiner des matériaux non ferreux comme les céramiques, ou dans les forages pétroliers.

Le frittage du nitrure de bore cubi [...]

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Repères dans l'échelle des pressions

Repères dans l'échelle des pressions
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Cellule à enclumes de diamant

Cellule à enclumes de diamant
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Phases de l'eau

Phases de l'eau
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Phases du carbone

Phases du carbone
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Écrit par :

  • : directeur de recherche au C.N.R.S., laboratoire d'ingénierie des matériaux et des hautes pressions, Université de Paris Nord, Villetaneuse
  • : directeur de recherche au C.N.R.S., directeur du laboratoire des interactions moléculaires et des hautes pressions, C.N.R.S.
  • : directeur adjoint du laboratoire des hautes pressions du C.N.R.S.
  • : directeur du laboratoire des hautes pressions du C.N.R.S., Bourg-la-Reine

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Pour citer l’article

Bernard LE NEINDRE, Boris OKSENGORN, Jacques ROMAND, Boris VODAR, « PRESSIONS PHYSIQUE & CHIMIE DES HAUTES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-et-chimie-des-hautes-pressions/