Contrôle de la Formation de vacuoles dans les cristaux d'hexogène (RDX)

Controlling the formation of inclusions in crystals of hexogen (RDX)

• Auteur / Autrice : James Cooper
• Direction : Gérard Coquerel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 05/03/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut franco-allemand de recherches (Saint-Louis, Haut-Rhin) - Sciences et méthodes séparatives (Mont-Saint-Aignan (Seine-Maritime) ; 2000-...)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Cardinael
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Coquerel, Pascal Cardinael, Laurent Catoire, Matias Velázquez, Lionel Borne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Catoire, Matias Velázquez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Points chauds (géologie)

Hydrodynamique

Croissance cristalline

Inclusions

Cristaux -- Défauts

Cyclonite

Mots clés libres

Inclusions

Défauts

Cristallisation en solution

Ajout d'antisolvant

Hydrodynamique

Sensibilité du RDX

Points chauds

Dopage des inclusions

Inclusions

Defects

Crystallisation from solution

Antisolvant addition

Hydrodynamics

RDX sensitivity

Hot-spots

Inclusion doping

Résumé

Des inclusions symétriques, ordonnées et périodiques ont été obtenues dans des cristaux de RDX par ajout d’antisolvant. Ces inclusions sont excentrées, ce qui évoque un mécanisme de formation lié à la croissance cristalline. Les tailles d’inclusions ont été modifiées en changeant la méthode d’ajout de l’antisolvant. Ces différences en taille peuvent être en partie expliquées par des interactions hydrodynamiques solvant/antisolvant qui influencent la nucléation et la croissance cristalline. En changeant la nature du solvant et/ou de l’antisolvant, il a été possible de modifier la disposition des inclusions. Celui-ci est associé à une modification du faciès cristallin. Pour toutes les combinaisons solvant/antisolvant, les inclusions se trouvent parallèles à certaines faces mais pas d’autres. Les faces comportant des inclusions parallèles n’étaient pas toujours les plus grandes ni celles qui ont crût le plus rapidement. Il semble que les faces ayant une superficie plus importante sont propices à la formation d’inclusions mais qu’une vitesse de croissance minimale doit y être associée pour pouvoir former une inclusion. Les centres des faces de grandes tailles sont en effet mal fournis en soluté et une vitesse de croissance assez élevée peut amplifier ce phénomène. La combinaison parfaite entre la taille minimale de la face et une vitesse de croissance suffisante ne semble se produire qu’une fois pendant la croissance cristalline induite par l’ajout d’antisolvant. Huit échantillons de RDX contenant des tailles et des nombres d’inclusions différents ont pu être obtenus par ajout d’antisolvant. La technique du « gap-test » a été utilisée afin de vérifier une éventuelle relation entre taille/nombre d’inclusions et sensibilité aux chocs du RDX. Les chocs auxquels les huit échantillons ont été soumis (chocs initiateurs) étaient de type basse-pressions et soutenus. Ce type de choc initiateur est connu pour ses capacités à induire des points chauds autour des défauts internes dans les matériaux énergétiques. L’influence de la composition des inclusions sur la sensibilité du RDX n’est pas tout à fait élucidé et ce travail n’a pas révélé de relation claire entre composition des inclusions et sensibilité du RDX. Cependant, le dopage des inclusions par un solide sensible à la sollicitation par rayonnement infrarouge est démontré. Ce dopage pourrait permettre d’introduire davantage de points chauds à l’intérieur même des inclusions mais cela n’a pas été vérifié. Controller les tailles et le nombre d’inclusions pourrait s’avérer utile non seulement dans le domaine des matériaux énergétiques mais aussi dans l’industrie pharmaceutique. Longtemps perçues comme ayant des effets purement négatifs, les inclusions pourraient se révéler utiles quant à l’encapsulation de composés par exemple.

By using antisolvent addition, it was possible to obtain symmetrical, ordered and periodic inclusions within RDX crystals. Antisolvent-induced inclusions were found off-centre in RDX, suggesting a growth-linked process to their genesis. The sizes of these inclusions were modified by changing the antisolvent addition method. These size modifications were most likely down to changes in solvent/antisolvent hydrodynamics influencing nucleation rates and subsequent growth rates. By changing the solvent and/or antisolvent, it was possible to modify the inclusion pattern within RDX crystals. This was linked to a change in crystal habitus. Inclusions were found parallel to only certain faces in every solvent/antisolvent combination. These faces were not always the largest, nor were they the fastest-growing. Results suggest that whilst large crystal faces do indeed ease the process of inclusion formation, sufficiently high growth rates of these faces are also required. The formation of inclusions may therefore be the product of solute-supply deficits to the centre of larger faces, amplified by increased solute demand required for high growth rates of these same faces. This perfect combination of adequate face sizes and growth speeds only seems to occur once during the growth process of RDX when an antisolvent is added as an initiator of crystallisation. Eight batches of RDX containing various numbers and sizes of inclusions were produced using antisolvent addition. Gap-testing was employed in order to establish a relationship between increasing inclusion sizes/numbers and increased sensitivities. Low-pressure and sustained shocks were used to determine RDX batch sensitivities. This regime has been previously demonstrated to highlight the importance of intragranular defects such as inclusions on energetic material sensitivities. Whilst the compositions of fluid inclusions in these batches remain unclear, they do not seem to have a profound influence on shock sensitivities. However, it has been demonstrated that doping RDX inclusions with an Infra-Red sensitive solid is possible. This doping has the potential to add extra hot spots within RDX inclusions upon remote activation although this remains untested. The control of inclusion sizes and numbers may not only be useful in the field of energetic materials but also for the pharmaceutical industry. Whilst fluid inclusions may be seen as a nuisance by many, they may also prove to be very useful in the encapsulation of desired compounds.