Modelling energetic materials' decomposition and sensitivities
Modélisation de la décomposition des matériaux énergétiques et de leurs sensibilités
Résumé
Energetic materials (EMs) release considerable energy during their decomposition. For this reason, we use them for
civilian (propellants, fuels) and military (pyrotechnic compositions, explosives) applications. However, many
disadvantages go with their use. Indeed, an unintentional initiation can quickly have dramatic human, material, and
environmental consequences.
To measure the sensitivity of EMs, i.e., their propensity to initiate under more or less intense constraints, there are
numerous standardised experimental protocols. However, these procedures only apply to compounds that are available
in sufficient quantity and cannot be used to search for new compounds efficiently.
In this case, modelling is necessary. Unfortunately, despite the abundant literature, there has yet to be a consensus on
the origin of sensitivity, as the problem's dimensionality prohibits any exhaustive study. These various observations are
at the origin of this thesis. We wish to understand the origin of the sensitivity of EMs. In this thesis, we have favoured a
theoretical rather than an empirical approach.
To do this, we must describe many mechanisms involved, from applying the constraint to the decomposition of the
system. We show that sensitivity is only a consequence of the tendency of a system to thermal runaway. Thus, we
provide a consequent physicochemical insight into the sensitivity of EMs.
Les matériaux énergétiques (MEs) libèrent une grande quantité d'énergie lors de leur décomposition. Pour cela, ils sont
autant prisés pour des applications civiles (ergols, propergols, combustibles) que militaires (compositions
pyrotechniques, explosifs). Cependant, leur utilisation est accompagnée de multiples inconvénients. En effet, une
initiation involontaire peut rapidement entraîner des conséquences dramatiques, autant humaines, matérielles
qu'environnementales.
Afin de mesurer la sensibilité des MEs, c'est-à-dire leur propension à s'initier sous des contraintes plus ou moins
intenses, il existe de nombreux protocoles expérimentaux normalisés. Or, ces procédures s'appliquent uniquement aux
composés disponibles en quantité suffisante et ne peuvent donc être employées pour en rechercher de nouveaux
efficacement.
Dans ce cas, la modélisation s'avère nécessaire. Malgré une littérature foisonnante, il n'existe à ce jour aucun consensus
sur l'origine de la sensibilité, la dimensionnalité du problème prohibant toute étude exhaustive. Ces divers constats sont
à l'origine de cette thèse. Particulièrement, nous souhaitons comprendre l'origine de la sensibilité des MEs. Dans ce
mémoire, nous avons privilégié une approche théorique plutôt qu'empirique.
Pour cela, nous devons décrire un grand nombre de mécanismes intervenants depuis l'application de la contrainte
jusqu'à la décomposition du système. Nous montrons que la sensibilité n'est qu'une conséquence de la tendance d'un
système à l'emballement thermique. De ce fait, nous apportons ainsi un éclairage physico-chimique conséquent sur la
sensibilité des MEs.
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