Le procédé de synthèse par arc électrique est l’un des plus usités pour la production de nanomatériaux. L’étude des phénomènes physico-chimiques sous-jacents aux arcs peut être réalisée au moyen de modèles collisionnels-radiatifs, pour décrire plus finement la composition chimique en s’appuyant sur les lois de conservation du nombre de particules dans le plasma, et accéder ensuite aux propriétés thermodynamiques et radiatives. Ces modèles fournissent une description réaliste de la chimie induite par les arcs et permettent de prendre en compte les éventuels écarts à l’équilibre thermodynamique local. L’équipe ScIPRA s’intéresse aux arcs électriques depuis des nombreuses années aussi bien d’un point de vue numérique qu’expérimental. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche franco-tunisien soutenu par le CMCU (PHC Utique) qui comprend deux volets : l’un experimental et l’autre théorique. Au niveau experimental, un réacteur à arc a été implanté au LAPLACE. Il permet de produire des nanophases carbonées homogènes ou hétérogènes (nanotubes de carbone purs ou dopés). Le second volet théorique du projet, dans lequel s’inscrit cette thèse de doctorat, concerne le développement de codes numériques permettant de prédire la composition chimique, les propriétés thermodynamiques et le transfert radiatif (spectres moléculaires synthétiques) des plasmas d’arcs quasi-thermiques.
Les objectifs de cette thèse sont doubles : une première partie est dédiée aux calculs de la composition chimique et des propriétés thermodynamiques et la deuxième partie est consacrée à l’élaboration d’une base de données spectroscopiques permettant de décrire les phénomènes radiatifs dans des plasmas composés des éléments C, N, Ar et He. La première étude est basée sur le développement d’un modèle collisionnel-radiatif (CR) permettant de prédire la composition chimique pour des mélanges Ar-He-N2 en présence de carbone, nickel et yttrium provenant de l’ablation des électrodes. La deuxième partie concerne le calcul du rayonnement notamment les spectres en émission des deux systèmes C2 Swan et CN Violet observés dans des plasmas contenant de l’azote et du carbone, et utiles pour la caractérisation et le diagnostic des arcs : détermination des températures de rotation et de vibration.
Mots clés : arc électrique, plasma quasi-thermique, modèle collisionnel-radiatif, écarts à l’équilibre, composition chimique, nanotubes de carbone, rayonnement, diagnostic spectroscopique, C2 Swan et CN Violet.
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The electric arc process is one of the most used to produce nanomaterials. The study of the physicochemical phenomena underlaying arcs can be achieved by means of collisional-radiative models to thoroughly describe the chemical composition with the use of the particles number conservation law in the plasma. This method allows a straightforward calculation of thermodynamic and radiative properties. These models provide a realistic description of the arc-induced chemistry and allow better understanding of the deviations from local thermodynamic equilibrium. The ScIPRA team has been attracted to electrical arcs over many years, both from a theoretical and an experimental point of view. This thesis is part of a Franco-Tunisian research project supported by the CMCU (PHC Utique) which includes two components: experimental and theoretical. At the experimental level, an arc reactor has been installed at LAPLACE laboratory to produce homogeneous or heterogeneous carbon nanophases (pure or doped carbon nanotubes). The second part of the project on which this work is based concerns the development of simulation tools to predict the chemical composition, thermodynamic properties and radiative transfer (synthetic molecular spectra) of quasi-thermal arc plasmas.
The objectives are twofold: first, the calculation of the chemical composition and thermodynamic properties under thermal and non-thermal equilibrium conditions and second, the development of a spectroscopic database to describe the radiative phenomena involved in plasmas composed of C, N, Ar and He elements. In order to achieve the first goal, we developed a multi-temperature Collisional-Radiative model (CR) to predict the chemical composition for Ar-He-N2 mixtures in the presence of carbon, nickel and yttrium. The second part of this work concerns the calculation of emission spectra of C2 Swan and CN Violet systems frequently observed in nitrogen and carbon containing plasmas and useful for arc characterization and diagnostics, namely the determination of the rotational and the vibrational temperatures.
Keywords: electrical arc, quasi-thermal plasma, collisional-radiative model, departures from equilibrium, chemical composition, carbon nanotubes, radiative proprieties, spectroscopic diagnosis, C2 Swan and CN Violet.
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