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Diffusion et dopage pour des matériaux nanostructurés

Homogénéisation par changement d'emplacement généré mécaniquement

 

Ce billet de blog aborde la question de savoir comment un mélangeur peut modifier des matériaux en poudre par diffusion. Les poudres peuvent être sèches, humides ou en suspension. Les appareils de traitement amixon® sont conçus pour résister à des pressions et des températures élevées. La diffusion est ainsi favorisée.

Dans les mélangeurs dynamiques, les matières sont homogénéisées en les faisant passer par des outils de mélange et en les cisaillant. Les tâches de mélange peuvent présenter différents degrés de difficulté, en fonction du type et de la fluidité des substances à mélanger. Le mélange sans espace mort de produits en vrac nanodispersés est exigeant, car leurs propriétés rhéologiques sont similaires à celles des produits humides collants.

Les différences de concentration sont compensées par la diffusion

Bien que les gaz semblent être au repos dans un récipient fermé, les molécules de gaz effectuent des mouvements minimes en zigzag les unes par rapport aux autres et excitent les molécules de gaz dans leur voisinage. L'intensité des mouvements en zigzag et de l'échange d'impulsions dépend de la température ambiante. Ces micro-mouvements des molécules ne s'arrêtent que si le gaz est refroidi au zéro absolu, soit moins 273,15 °C.

Si des gaz de densité ou de température différentes se trouvent dans un récipient, une homogénéisation a lieu automatiquement. Les différents gaz se diffusent les uns dans les autres. Cela s'explique par la grande efficacité de la diffusion des gaz. La diffusion est un transport de masse. Elle compense les différences de concentration telles que la densité, la température et la pression.

Les liquides de densités différentes se mélangent aussi automatiquement par diffusion, mais ce processus d'homogénéisation est beaucoup plus long que pour les gaz.

Cela prend encore plus de temps lorsque les solides se diffusent les uns dans les autres.

La vitesse de diffusion

Adolf Fick, un physiologiste allemand (1829-1921), a décrit la diffusion de substances à travers un matériau à l'aide de deux formules. Elles stipulent que le flux de diffusion est proportionnel à la différence de concentration, mais qu'il est opposé à la direction du gradient de concentration.

La lettre J est souvent utilisée dans la littérature spécialisée pour désigner la densité de flux de diffusion. Dans la représentation conforme au SI, la densité de flux de diffusion est mesurée en (kg/(m²*s)). Mais la représentation "moles par mètre carré par seconde" (mol/(m²*s)) est également courante.

(1)       J = -D * (ΔC/Δx)    

 

est présent

J: le flux de diffusion (masse ou molécules par surface et par temps)

D: le coefficient de diffusion de la substance dans le matériau (m²/s)

ΔC: la différence de concentration de la substance sur la distance ΔC/Δx :   Gradient de concentration

 

La deuxième loi tient compte du fait que le coefficient de diffusion et le gradient de concentration varient tous deux avec le temps en raison de la répartition spatiale de la concentration.

(2)       ∂C/∂t = D * ∇²C

est présent

∂C/∂t: la variation de la concentration dans le temps

∇²c: l'opérateur de Laplacepourla variationspatialede la concentration

 

 

Le coefficient de diffusion D peut également être calculé.

D = D0 * e (-Q/(R * T))

est présent

D0: Constante de diffusion [m²/s] est une constante spécifique au matériaute

Q: Énergie d'activation [kg *  m2/s-2]

R: constante générale du gaz [J/(kg * K)]

T: température [K]

 

Transport très lent de la matière lors de la diffusion des solides : Le coefficient de diffusion a une valeur d'environ  10-5 m2/s pour les gaz,  10-10 m2/s pour les liquides et 10-20 m2/s pour les solides.

Formes efficaces de diffusion dans la céramique technique et la métallurgie des poudres

La diffusion joue un rôle important dans la métallurgie des poudres, lorsque des matériaux de nature différente sont comprimés sous forme finement dispersée pour former un corps moulé. Dans ce cas, on parle d'un "alliage mécanique".

Une diffusion dite étrangère a lieu aux limites de phase, aux joints de grains et aux surfaces de la structure. Des groupes d'atomes provenant de zones de potentiel plus élevé se déplacent lentement vers des zones de potentiel plus faible. Ces processus sont d'autant plus intenses que les particules de structure impliquées sont petites et qu'elles sont fortement pressées les unes contre les autres.

La diffusion peut être une méthode appropriée pour doper des matériaux à hautes performances en introduisant des atomes étrangers dans des structures réticulaires perturbées. La diffusion est particulièrement forte lorsque les gradients de concentration se rencontrent sous forme de poudres nanométriques. C'est notamment le cas aux limites de phase et de grain.  

 

 

La diffusion est alors particulièrement forte,

  1. lorsque les biens se présentent sous la forme d'une dispersion nanofine.

  2. lorsqu'il existe un gradient de concentration aussi grand que possible.

  3. lorsque les températures du processus sont élevées.

  4. lorsque des particules/particules à forte concentration rencontrent le plus souvent possible des particules/particules à faible concentration.

  5. lorsque les particules glissent étroitement les unes contre les autres - sans être entourées d'une phase gazeuse.

Diffusion externe : A) diffusion aux limites de phase, B) diffusion aux limites de grain, C) diffusion de surface, D) atomes

Diffusion accélérée dans le réacteur amixon®

à 1)
Dans le réacteur amixon® , le processus de mélange se déroule toujours sans espace mort et de manière efficace, indépendamment de la vitesse de rotation de l'outil de mélange. Les propriétés d'écoulement des enrobés - secs, humides, mouillés ou en suspension - ne jouent aucun rôle. En outre, le mélange de précision s'effectue indépendamment du degré de remplissage.

à 2)
Dans le réacteur amixon®, les composants peuvent être dans n'importe quel état d'agrégation pour se diffuser les uns dans les autres : sec, liquide ou gazeux.

à 3)
Les réacteurs amixon® peuvent suivre des courbes de chauffage/refroidissement prédéfinies avec une précision de quelques dixièmes de kelvin. Jusqu'à 350 °C. Les développements actuels d'amixon® visent même plus de 600°C.

à 4)
Le processus de mélange sans espace mort garantit que les particules/liquides ou gaz sont en contact permanent et aléatoire les uns avec les autres. Un réacteur de diffusion amixon® fonctionne avec une surpression pouvant atteindre 25 bars. (Les installations de traitement amixon® sont conformes aux exigences légales de la TA Luft. Ils sont techniquement étanches - même à des températures et des pressions élevées).

à 5)
Réaction solide-solide / Diffusion : Dans l'appareil amixon®, il est possible de créer un gradient de concentration abrupt en appliquant un vide poussé. Dans les mélanges de substances à phase unique (sans phase gazeuse), les particules solides frottent étroitement les unes contre les autres, même à des températures élevées.

N'hésitez pas à venir nous voir avec vos enrobés. Nous vous invitons volontiers à faire des essais.

Mélangeurs Gyraton® pour l'homogénéisation de grands lots.

 

Les matériaux à hautes performances sont généralement traités en petits lots. Si l'on considère par exemple la fabrication de batteries, d'éoliennes, de composants pour la transmission d'énergie ou les techniques de communication ou encore les installations de dessalement de l'eau de mer, ces matériaux sont nécessaires en quantités de plus en plus importantes. Ces grandes masses de substances doivent toutefois être homogènes.

C'est là qu'amixon® peut apporter une contribution précieuse. Les mélangeurs Gyraton® peuvent homogénéiser par lots de grandes quantités de matières en vrac (70 m³). Mais le même mélangeur Gyraton® peut aussi mélanger en continu. Dans tous les cas, les variations de qualité peuvent être compensées.

Les mélangeurs Gyraton® mélangent sans espace mort, de manière homogène et extrêmement délicate - indépendamment des caractéristiques du produit en vrac. La puissance d'entraînement d'un mélangeur Gyraton® est très faible. Les produits peuvent être nanodispersés, agglomérés, secs, humides ou mouillés.

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