CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE DES PROPRIÉTÉS PHYSICOCHIMIQUES DES SUIES

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

DISPOSITIFS EXPÉRIMENTAUX DE PRODUCTION ET D’ANALYSE

Les moteurs CFM56

Notre étude est conduite avec des moteurs civils de la famille CFM56, fabriqués conjointement par SNECMA et General Electric dans le cadre de la société CFM. Ces moteurs sont de type turboréacteur à double corps et double flux sans post combustion [Lepourry 1991], [Thevenin 2004] (Figure 6). L’appellation « double corps » signifie que le compresseur est divisé en deux parties successives, basse et haute pression, mues par deux turbines successives à haute (HP) et basse pression (BP). Ce système permet d’obtenir une grande efficacité de fonctionnement. Le terme « double flux » indique que la totalité de l’air admis ne traverse pas entièrement le moteur. Cette technologie est plus économique aux vitesses subsoniques et moins bruyante. Dans ces moteurs, le premier étage du compresseur à basse pression (la soufflante, encore appelée fan) est de grande dimension pour aspirer de grandes quantités d’air. L’air pré-comprimé par la soufflante ne passe pas intégralement par le moteur, mais une partie (le flux froid) le contourne par sa périphérie jusqu’à la tuyère où il est éjecté avec les gaz chauds (flux chaud). La proportion d’air contournant le moteur est variable selon les moteurs. Elle est d’autant plus élevée que le moteur est destiné à voler à des vitesses faibles. Cette proportion est exprimée par le taux de dilution, égal au rapport du flux total massique (flux chaud + flux froid) sur le flux chaud massique.

Mesures sur site

Lors des campagnes de prélèvement d’échantillons de suie, nous avons mis en place un capteur enregistreur de température et d’humidité relative (HOBO® U12 ; Figure 11) sur les second et troisième dispositifs de collecte par impaction (paragraphe III.1.1.1). Plusieurs évolutions du dispositif ont été nécessaires afin de résoudre les problèmes de solidité qui sont apparus. Dans ce paragraphe, seul le capteur combinant la mesure de température et d’humidité relative est décrit. Ce système simple permet de mesurer des températures comprises entre -20 °C et +70 °C et des humidités relatives comprises entre 5 % et 90 %. Les informations fournies peuvent cependant être légèrement affectées par la présence de certains gaz qui induisent une sur-estimation ou une sous-estimation systématique des mesures d’hygrométrie. De plus, l’utilisation dans des conditions de température hors de la gamme recommandée, et/ou une exposition dans une atmosphère très polluée peuvent aussi entraîner une faible erreur systématique. Cependant, grâce à cet appareillage, nous avons un suivi temporel (toutes les 10 s) des variations de condition ambiante lors de cycles moteurs, mais aussi lors des phase d’arrêt.
La Figure 12 présente le diagramme du relevé de température et d’humidité relative correspondant à 3 cycles d’endurance de type I et la Figure 13 celui de 3 cycles d’endurance de type II. Les relevés complets pour chacune des campagnes de prélèvements figurent dans l’annexe I.

Techniques expérimentales de caractérisation

L’approche de cette étude est différente de celles qui ont été menée sur les suies émises par les moteurs d’avion jusqu’à présent [Wey 2006], [Anderson 2005], [Schumann 1996]. En effet, nous n’avons pas cherché à quantifier les émissions de suie mais à déterminer leurs caractéristiques physiques (diamètre(s), structure,…) et chimiques (composition élémentaire,…). Pour ce faire, nous avons mené des études par microscopie électronique à balayage et en transmission, spectrométrie de rayon X, spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), et chromatographie couplée à la spectrométrie de masse.

Microscopie électronique

Microscopie électronique à balayage : MEB

La microscopie électronique à balayage, dont le principe est illustré sur la Figure 15, est une méthode expérimentale d’observation directe des aérosols de taille nanométrique.
Un faisceau d’électrons balaie la surface de l’échantillon qui génère en retour des électrons secondaires et rétrodiffusés, de basse énergie qui sont accélérés vers un détecteur d’électrons. A chaque point d’impact correspond alors un courant électrique dont l’intensité dépend de la nature de l’échantillon émetteur d’électrons. L’enregistrement simultané de ces électrons permet la formation d’une image représentative de la topographie de surface de l’échantillon (électrons secondaires) et de la répartition des éléments (contraste de profondeur, avec les électrons rétrodiffusés). Il est ainsi possible, en balayant l’échantillon avec le faisceau, d’obtenir une cartographie de la zone balayée.
Nous avons utilisé un microscope électronique à balayage JEOL JSM-6320F dont la tension d’accélération de travail est comprise entre 0,5 et 30 kV avec des résolutions de 1,2 nm à 15 kV et 2,5 nm à 1 kV. Ce microscope permet d’atteindre des grossissements égaux à 650 000 en mode haute résolution. L’observation des échantillons est réalisée en plaçant le support de collecte (des membranes en polycarbonate) comportant de la suie sous le faisceau d’électrons.

Microscopie électronique en transmission : MET

La microscopie électronique en transmission permet également l’observation de particules de taille nanométrique. Elle offre la possibilité d’étudier les objets dans l’espace direct, et dans l’espace réciproque par diffraction des électrons. Des informations précises sur la morphologie, la structure et les paramètres cristallographiques peuvent donc être obtenues en combinant ces différents modes d’observation sur un même échantillon. A la différence de la microscopie électronique à balayage, le faisceau d’électron est plus énergétique et le principe est basé sur la physique des processus d’interaction élastique entre les électrons incidents et les atomes « cibles » de l’échantillon. Les électrons traversent l’échantillon avant d’impacter une surface fluorescente qui créée l’image transmise.
Nous travaillons avec un microscope JEOL JEM 2000FX qui a une résolution de 1,8 Å à 200 kV et des valeurs du grandissement comprises entre 1 000 et 1 000 000. Les plus forts grandissements permettent donc d’observer la structure atomique des échantillons préalablement déposés sur des grilles adaptées.

Spectrométrie dispersive d’énergie de rayons X : EDX

Les microscopes électroniques utilisés au cours de ce travail sont équipés d’un système de microanalyse X (TRACOR Serie II). Cette technique de spectrométrie dispersive d’énergie de rayon X permet de déterminer la composition chimique élémentaire des échantillons en une zone donnée. Son principe [Hawkes 2006] repose sur la détection des photons X émis lors de la désexcitation des atomes de l’échantillon préalablement ionisés par le faisceau électronique du microscope. Les énergies des photons X étant caractéristiques des niveaux de transitions électroniques des atomes émetteurs, il est alors possible d’identifier la nature des espèces atomiques présentes dans l’échantillon. Cette technique permet également d’analyser quantitativement les éléments chimiques de numéro atomique supérieur ou égal à Z = 6 (carbone) lorsqu’ils sont présents. Dans notre cas, elle est couplée au microscope électronique, ce qui nous permet de réaliser in-situ la microanalyse chimique sur les échantillons observés par MET.

Spectroscopie InfraRouge à Transformée de Fourier : FTIR

La spectroscopie infrarouge est une technique d’identification et de quantification de la composition chimique d’un échantillon. Elle est non-destructive pour l’échantillon, et basée sur l’étude de l’absorption (ou de la transmission) par ce dernier des radiations électromagnétiques comprises entre 10 000 cm-1 et 10 cm-1. Cette bande spectrale est elle-même divisée en région usuellement désignées comme l’infrarouge proche (de 10 000 cm-1 à 4 000 cm-1), l’infrarouge moyen (4 000 cm-1 à 400 cm-1) et infrarouge lointain en-deçà. La région spectrale la plus riche en informations et la plus utilisée d’un point de vue expérimental est l’infrarouge moyen. Les absorptions dans ce domaine constituent une « empreinte digitale » qualitative des composés permettant de les identifier et d’en déduire des informations sur leur structure moléculaire. Il est ainsi possible d’identifier les groupements chimiques pouvant se trouver à la surface d’un échantillon. Nous utilisons dans ce travail un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (BRUKER, modèle Equinox 55) équipé d’un détecteur DTGS (Deuterated Tri Glycine Sulfate) permettant l’étude spectroscopique des échantillons entre 8 000 et 400 cm-1.

Chromatographie

La chromatographie est une technique permettant de séparer et de quantifier une (des) espèce(s) moléculaire(s) présente(s) dans un échantillon. Son principe repose sur la vitesse de diffusion d’un composé à travers une colonne remplie de deux phases non miscibles, l’une stationnaire (emprisonnée dans la colonne) et l’autre, mobile. Les différences d’interaction conduisent à des différences de vitesses lors de l’entraînement par la phase mobile et donc à une séparation.
Les analyses chromatographiques présentées dans ce mémoire sont réalisées sur nos échantillons par des équipes avec qui nous collaborons. Les échantillons collectés derrière les moteurs sont traités par le Centre de Recherche en Chimie Moléculaire (CRCM) dans le cadre du programme Primequal 2 [Ruiz 2006] d’une part, et la validation des cellules de stockage est réalisée par le Département Energétique Fondamentale et Appliquée (DEFA) de l’ONERA dans le cadre du programme Comité Avion et ATmosphère [Ruiz 2007] d’autre part. L’équipe du CRCM utilise un chromatographe en phase gazeuse HP 6890© (Agilent Technology, USA) équipé d’un injecteur splitless et d’une colonne HP5-MS® (Agilent Technology, USA). Le gaz vecteur est l’hélium et le détecteur est un spectromètre de masse MSD 5973© (Agilent Technology, USA).
Le DEFA utilise une chaîne d’analyse Prostar© (Varian, USA) constituée d’un passeur automatique d’échantillons, d’un système de gradient (eau/acétonitrile) contrôlé par deux pompes, d’une colonne analytique Microsorb® (Interchrom, France), et d’un détecteur ultraviolet à barrettes de diodes.
Notons qu’ avant de réaliser les analyses il y a, dans les deux cas, extraction des molécules d’intérêt grâce à des solvants à partir de filtres sur lesquels de la suie a été collectée.

Spectrométrie de masse : MS

La spectrométrie de masse est une méthode destructive d’analyse de la composition chimique moléculaire et atomique d’une phase gazeuse. Elle repose sur la détermination des masses des espèces atomiques ou moléculaires individuelles de l’échantillon analysé :
1 – ionisation : l’espèce étudiée est ionisée dans la chambre d’ionisation de l’appareil. A ce stade, tout composé formé de molécules conduit à un mélange statique d’ions de fragmentation.
2 – accélération : sitôt formés, les ions sont extraits de la chambre d’ionisation, accélérés et focalisés par des lentilles électrostatiques, ce qui accroît leur énergie cinétique.
3 – séparation : les ions sont filtrés par l’analyseur suivant leur rapport masse sur charge.
4 – détection : après séparation les ions terminent leur trajectoire sur un détecteur qui quantifie les charges électriques. Le traitement du signal de sortie de l’appareil conduit au spectre de masse du composé.
Dans notre cas, la spectrométrie de masse est associée à la chromatographie dans un rôle de détecteur.
Le spectromètre de masse MSD 5973© (Agilent Technology, USA) utilisé par le CRCM opère en mode de sélection d’ions (SIM).

Les supports

L’ensemble des caractéristiques physico-chimiques des particules de suie émises par un moteur d’avion ne peuvent être déterminées qu’en utilisant diverses techniques expérimentales. Les différents supports utilisés répondent aux exigences des techniques que nous avons présentées (§ I.2.) et des données que nous souhaitons mesurer et/ou déterminer [§ III.1.2.], [Baron 2001]. Nous avons également tenu compte, dans le choix de nos supports (Tableau 5), des standards employés dans les mesures d’émissions automobiles [Brasseur 1999] et dans les mesures de qualité de l’air [Brink 2004], [Hitzenberger 2004] afin de pouvoir effectuer des comparaisons avec les données issues de ces travaux.
Des surfaces métalliques de cuivre, ou d’aluminium, constituent le premier type de support choisi pour collecter des particules de suie qui pourront être récupérées par brossage ou par lavage par un solvant. Il est à noter que les feuilles d’aluminium peuvent aussi faire l’objet d’extraction en vue d’analyses chimiques. Cependant, nous avons utilisé deux types de filtres spécialement dédiés (l’un en fibres de verre et l’autre en quartz, de marque Whatmann) pour réaliser ces analyses chimiques avec l’étape d’extraction. Des microgrilles spécifiques (Holey Carbon Film, AGAR Scientific) sont utilisées pour les analyses MET, tandis que des membranes en polycarbonate (Nucléopore®Isopore, Millipore) de porosité 0,22 et 0,40 Zm, sont utilisées pour les analyses MEB. Enfin, des fenêtres en silicium et en germanium permettent de réaliser des analyses vibrationnelles par FTIR en transmission.

Choix de la méthode de prélèvement utilisée

Nous avons collecté des échantillons de suie sur des membranes en polycarbonate Nucléopore®Isopore avec chacune des trois méthodes préalablement décrites. Ces échantillons ont ensuite été analysés par microscopie électronique à balayage et comparés entre eux pour déterminer la méthode la plus adaptée aux prélèvements derrière un moteur d’avion.

Le pompage

Les premiers prélèvements par pompage se sont révélés difficiles à mettre en place en raison de la fragilité du matériel qui a limité le nombre d’emplacements possible (Figure 16). Toutefois, un dispositif a pu être mis en place et fournir des échantillons. Sur les membranes obtenues, nous observons (Figure 22) de gros amas de suie localisés autour et dans les pores. Cette « sur-agglomération » artificielle semble résulter du processus de pompage au travers de la membrane puisque l’essentiel des agrégats se trouvent à proximité ou dans les pores. Ce phénomène rend très difficile les études de morphologie, de structure et de distributions en taille d’agrégats et de particules primaires. De surcroît, pour éviter tout biais de prélèvement, il est préférable de réaliser un pompage isocinétique [Brockmann 2001] qu’il nous est impossible de réaliser. En effet, l’activité d’essai du moteur est basée sur des cycles (§ III.1.1.2) qui engendrent des variations multiples et rapides de débit d’air lors du prélèvement et il ne nous a pas été possible d’asservir le dispositif de prélèvement par pompage au système de contrôle du banc d’essai. Une solution aurait pu être la mise en place d’un système permettant d’agir sur le débit de pompage à distance mais la configuration de l’installation d’essai et des contraintes liée à la sécurité, n’a pas permis sa mise en oeuvre.
Enfin, il faut également prendre en considération le fait que le prélèvement de particules par pompage est un phénomène complexe comme l’attestent plusieurs études qui ont fait apparaître des phénomènes physiques conduisant à une différence dans la captation suivant le diamètre des particules [Baron 2001]. Tous ces éléments, ajoutés à la comparaison avec les autres méthodes mises en œuvre, nous ont conduit à ne pas poursuivre la collecte d’échantillons de suie par pompage.

Développement d’un support de prélèvement : cellule FTIR/MET

La conception d’un support pour collecter les particules de suie doit répondre à un certain nombre de contraintes liées soit à l’exploitation du banc par SNECMA dans son activité commerciale, soit aux techniques de caractérisation expérimentale utilisées à la suite du prélèvement. Ceci nous a donc défini un cahier des charges qui implique la mise au point d’un support :
– simple et rapide à mettre en place car les périodes d’arrêts des moteurs et les délais d’intervention sur le dispositif de collecte sont très courts.
– autonome dans son fonctionnement car nous n’étions autorisés à utiliser ni électricité, ni fluide, ni gaz.
– permettant l’étude d’un même échantillon par des techniques de caractérisation complémentaires.
– capable de résister aux contraintes thermiques et mécaniques générées par le flux des moteurs lors des cycles de travail (§ III.1.2.).
Les premiers essais de faisabilité ont très vite fait apparaître que les quantités d’échantillon collectées sont faibles. L’utilisation de grilles de microscopie électronique en transmission en cuivre d’une part, et de fenêtres infrarouge en silicium d’autre part, se sont imposés rapidement car les techniques MET et FTIR ne nécessitent que très peu de matière pour réaliser des études. Les grilles de microscopie sont mécaniquement fragiles alors que les fenêtres sont mécaniquement et thermiquement résistantes. Il a donc fallu construire un ensemble spécifique (Figure 25) permettant d’intégrer ces deux supports sachant qu’il existe de nombreux types de grilles MET et de fenêtres pouvant servir aux mesures infrarouges. Nous avons testé deux types de grilles et deux types de fenêtres. Les grilles de MET sont constituées d’un maillage de mèches, en cuivre, recouvert d’un film de carbone amorphe de plusieurs dizaines de nanomètres d’épaisseur. Le film de carbone est plein pour les grilles
« carbon film » tandis qu’il est troué pour les grilles « holey carbon film ». L’étude des échantillons à permis de mettre en évidence que les grilles de microscopie MET les plus adaptées à la collecte de suie de moteur d’avion n’étaient pas les grilles « carbon film », dont le revêtement se détruit lors du prélèvement, mais plutôt les grilles « holey carbon film ». Concernant les mesures de spectroscopie infrarouge, nous avons utilisé des fenêtres en silicium et en germanium pour leur qualité de transmission optique dans l’infrarouge moyen, leurs propriétés mécaniques, et leur inertie chimique.

Microscopie électronique à balayage: MEB

L’analyse des images numériques, avec le logiciel libre d’analyse d’image « Image J », permet de déterminer le diamètre des particules élémentaires de suie afin d’établir leur distribution en taille. Pour ce faire, nous avons numérisé les négatifs photographiques (avec une résolution >2000 dpi) obtenus lors des études par microscopie électronique. La Figure 30 illustre le principe de mesure utilisé pour l’exploitation des image MEB et MET. Nous réalisons un agrandissement d’une zone contenant des particules (exemple pour un agrégat de suie : Figure 30 ) et nous identifions les particules présentes en ajustant un cercle sur chacune d’elle (Figure 30 ). Le logiciel nous donne le diamètre de chaque cercle ajusté en pixels et nous convertissons ce dernier en nanomètre à partir de l’échelle de chaque cliché (MEB ou MET).
Comme les membranes en polycarbonate ne sont pas électriquement conductrices, nous avons utilisé un évaporateur EMITECH K950X pour les métalliser (intensité appliquée : 20 A, temps de sublimation : 2 s) avant de les observer en MEB.

Table des matières

I. GÉNÉRALITÉS
I.1. L’aérosol atmosphérique
I.2. La suie
I.2.1. Définition
I.2.2. Formation
I.2.3. Caractéristiques de la suie
I.2.3.1. Les particules primaires
I.2.3.2. Les agrégats
I.2.3.3. Les distributions en taille
II. DISPOSITIFS EXPÉRIMENTAUX DE PRODUCTION ET D’ANALYSE
II.1. Les moteurs CFM56
II.1.1. Le banc d’essai
II.1.2. Les cycles d’essais
II.1.3. Mesures sur site
II.2. Techniques expérimentales de caractérisation
II.2.1. Microscopie électronique
II.2.1.1. Microscopie électronique à balayage : MEB
II.2.1.2. Microscopie électronique en transmission : MET
II.2.2. Spectrométrie dispersive d’énergie de rayons X : EDX
II.2.3. Spectroscopie InfraRouge à Transformée de Fourier : FTIR
II.2.4. Chromatographie
II.2.5. Spectrométrie de masse : MS
III. PRÉLÈVEMENTS DE PARTICULES DE SUIE ÉMISES PAR UN TURBORÉACTEUR D’AVION
III.1. Méthodes de prélèvement
III.1.1. Prélèvement par impaction
III.1.1.1. Le dispositif
III.1.1.2. Les supports
III.1.2. Prélèvement par filtration et par brossage
III.2. Choix de la méthode de prélèvement utilisée
III.2.1. Le pompage
III.2.2. Le brossage
III.2.3. L’impaction
III.3. Développement d’un support de prélèvement : cellule FTIR/MET
III.4. Conditionnement du matériel
IV. CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE DES PROPRIÉTÉS PHYSICOCHIMIQUES DES SUIES
IV.1. Etude des suies émises par un CFM56-5C
IV.1.1. Caractérisation physique
IV.1.1.1. Morphologie et structure
IV.1.1.2. Distribution en taille des particules primaires
IV.1.1.3. Comparaison des distributions en taille des particules primaires
IV.1.1.4. Etude des agrégats
IV.1.2. Caractérisation chimique
IV.1.2.1. Spectrométrie de rayons X
IV.1.2.2. Spectroscopie infrarouge
IV.1.2.3. Chromatographie
IV.2. Etude des suies émises par un CFM56-5B
IV.2.1. Caractérisation physique
IV.2.1.1. Morphologie et structure
IV.2.1.2. Distribution en taille des particules primaires
IV.2.1.3. Comparaison des distributions en taille de particules primaires
IV.2.1.4. Etude des agrégats
IV.2.2. Caractérisation chimique
IV.2.2.1. Spectrométrie de rayons X
IV.2.2.2. Spectroscopie infrarouge
IV.2.2.3. Chromatographie
IV.3. Synthèse des résultats expérimentaux
V. ANALYSE ET DISCUSSION DES RÉSULTATS
V.1. Influence de la préparation des échantillons sur la mesure de la taille des particules en microscopie électronique à balayage
V.1.1. Temps de sublimation
V.1.2. Intensité de sublimation
V.1.3. Conclusion
V.2. Création et validation d’une cellule spécifique de transport et de stockage des échantillons
V.2.1. Développement d’un moyen de transport et de conservation des échantillons
V.2.2. Validation des cellules
V.3. Discussion des résultats
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

Télécharger le rapport complet