Etude et modélisation du comportement thermo‐chimio-mécanique des oxydes conducteurs mixtes
Résumé
La séparation de l'oxygène de l'air est couramment réalisée par distillation cryogénique. Depuis un peu plus de 30 ans, les oxydes conducteurs mixtes semblent constituer une alternative intéressante pour la production d'oxygène ultra pur. L'oxygène est séparé de l'air, à haute température, par conduction ionique à travers une membrane céramique dense. Tous les procédés nécessitant de l'oxygène (oxycombustion, métallurgie, domaine médical, ...) sont des applications possibles de cette technologie. Les conducteurs mixtes sont des matériaux céramiques dans lesquels deux espèces chimiques se déplacent : une espèce ionique et une espèce électronique. Le rapport des conductivités électroniques et ioniques est tel que la neutralité électrique est conservée. Cette propriété est obtenue par dopage d'une céramique (le plus souvent de structure perovskite) qui génère la présence de défauts, notamment des lacunes d'oxygène. Le composé est alors qualifié de sous-stœchiométrique en oxygène. Les écarts à la stœchiométrie sont fonction de l'oxyde de départ, de la température et de l'activité chimique des composés. En service, la fluctuation de la stoéchiométrie, résultant du chargement thermique et du flux des ions oxygène à travers la membrane, occasionne des déformations du réseau cristallin qui se traduisent macroscopiquement par une déformation de la membrane et une modification (faible) des propriétés mécaniques. Afin de confirmer le rôle de ces déformations dites "chimiques" dans la rupture des membranes et d'étudier l'influence de paramètres telles que la géométrie (scellement céramique/métal) ou les conditions opératoires, un modèle macroscopique du comportement thermo-chimio-mécanique de ces céramiques a été développé et implémenté dans le logiciel Abaqus. La modélisation est relativement complète, tant du point de vue du comportement de la membrane que des sollicitations : la déformation chimique est prise en compte par l'intermédiaire d'un comportement thermomécanique dédié ; le transport ionique de l'oxygène est également reproduit via une loi de transport dédiée, en lien avec l'évolution du champ de température. La simulation d'essais de dilatométrie sous différentes atmosphères contrôlées permet d'illustrer les capacités actuelles du modèle ainsi que ses limites. Enfin, ce modèle a permis de simuler les différentes phases de fonctionnement d'un réacteur pilote, développé par Air Liquide. Les prévisions obtenues sont pertinentes et mettent en lumière l'origine de certaines des difficultés actuelles de transfert de la technologie à l'échelle industrielle.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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