Influence conjointe de paramètres physico-chimiques sur la vitesse de combustion des compositions pyrotechniques

Joint influence of physicochemical parameters on combustion velocity of pyrotechnic compositions

• Auteur / Autrice : Davney Ondzie pandzou
• Direction : Leo Courty
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PRISME - Laboratoire Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes et Mécanique Energétique

Mots clés

Mots clés libres

Compositions pyrotechniques

Matériaux énergétiques

Combustion

Pyrotechnic compositions

Combustion

Energetic materials

Résumé

Les compositions pyrotechniques sont une famille de matériaux énergétiques qui sont utilisés dans de nombreuses applications et dont les compositions peuvent être extrêmement variées. La vitesse de combustion de ces mélanges réactifs est l'une de leurs caractéristiques fondamentales. La maîtrise de cette vitesse passe par la compréhension fine des phénomènes physico-chimiques complexes mis en jeu lors de l'allumage et de la propagation de la combustion. Les compositions pyrotechniques étudiées dans cette thèse seront composées d'un oxydant et d'un réducteur métallique. Elles seront fabriquées au laboratoire sous forme de comprimés et leurs vitesses de combustion seront mesurées dans un réacteur adapté. Une étude paramétrique sera tout d'abord effectuée concernant les effets sur la vitesse de différents paramètres (composition, porosité, atmosphère, voire présence d'additifs). Ces nouveaux résultats pourront être utilisés pour améliorer une méthodologie développée précédemment permettant l'étude de différents paramètres sur la vitesse de combustion (méthodologie basée sur la mise en place de nombres adimensionnels et des régressions multilinéaires). Dans un deuxième temps, la cinétique de ces réactions sera étudiée. Des paramètres cinétiques globaux seront estimées pour les composés bruts et les compositions à l'aide des techniques classiques d'analyse thermique (ATG, DSC). Des réactions intermédiaires seront ensuite ajoutées. Le pyrolyseur flash relié à un couplage chromatographe en phase gazeuse-spectrométrie de masse (Py-GC-MS) pourra être utilisé pour estimer les espèces intermédiaires. Les propriétés thermiques et thermodynamiques de ces espèces devront également être étudiées. Les études précédentes ont montré qu'un travail particulier devait être mis en œuvre pour l'estimation de la conductivité thermique de ces mélanges hétérogènes oxydant-réducteur. Ceci sera effectué dans le cadre de cette thèse, en particulier à l'aide du dispositif expérimental Hot Disk. Des simulations seront ensuite effectuées à l'aide d'un code de calcul cinétique et les résultats comparés aux données expérimentales obtenues dans la première partie. A terme, la production de ces nouvelles données permettra de fournir à la fois des données d'entrée et de validation à un code de simulation de la combustion de ces compositions pyrotechniques.

Pyrotechnic compositions are a family of energetic materials that are used in various applications. Their compositions can be extremely diverse. Combustion velocity of such reactive mixtures is one of their fundamental characteristics. Mastering this velocity requires a detailed understanding of the complex physicochemical phenomena involved during ignition and combustion propagation. The pyrotechnic compositions studied in this thesis will consist of an oxidizer and a metallic reducer. They will be manufactured in the laboratory as tablets, and their combustion rates will be measured in a reactor. A parametric study will first be conducted regarding the effects on the velocity of various parameters (composition, porosity, atmosphere, and even the presence of additives). These new results could be used to improve a methodology previously developed for studying various parameters affecting combustion velocity (methodology based on the establishment of dimensionless numbers and multilinear regressions). Secondly, the kinetics of these reactions will be studied. Global kinetic parameters will be estimated for the raw compounds and compositions using classical thermal analysis techniques (TGA, DSC). Intermediate reactions will then be added. The flash pyrolyzer coupled with gas chromatograph-mass spectrometer (Py-GC-MS) could be used to estimate intermediate species. The thermal and thermodynamic properties of these species will also be studied. Previous studies have shown that particular attention must be paid to estimate the thermal conductivity of these heterogeneous oxidizer-reducer mixtures. This will be carried out in the framework of this thesis, particularly using the Hot Disk experimental device. Simulations will then be performed using a kinetic calculation code, and the results compared to experimental data obtained in the first part. Ultimately, the production of these new data will provide both input and validation data for a combustion simulation code for pyrotechnic compositions.