Experimental determination of phase diagrams: thermal and structural analyses
Détermination expérimentale de diagrammes de phase : analyses thermiques et structurales
Résumé
Dans de nombreuses applications des matériaux (organiques, inorganiques, métalliques…), la connaissance et caractérisation des phases solides (polymorphes, solvates, composés définis, alliages) et leurs relations avec des partenaires de cristallisation (solvants, éléments d'alliages, etc.) peut être rationalisée graphiquement en fonction des paramètres du système : température, pression, composition) en traçant un diagramme de phases.
Ces diagrammes sont la représentation graphique des équilibres hétérogènes (impliquant au moins une phase solide dans notre cas), et ils suivent la combinaison de deux règles fondamentales : minimisation de l'enthalpie libre de Gibbs + respect de la règle des phases. Dans un contexte de cristallisation ces diagrammes de phases sont un outil puissant pour rationaliser les procédés d'obtention des solides finaux ou des phases intermédiaires.
Cet exposé présente des méthodes expérimentales pour la détermination des diagrammes de phase, impliquant généralement l’utilisation d’analyses thermiques ou enthalpiques adaptées aux différentes températures de travail (DSC, ATD, ATS…) [2]. En complément, l’utilisation de techniques couplées (TGA, spectrométrie de masse) et de caractérisation structurales (TR-XRD notamment) s’avère souvent nécessaire pour une détermination affinée des équilibres entre phases solides et liquides. De façon exemplifiée, nous présenterons ces méthodes de détermination : i) pour des systèmes unaires (polymorphisme, règles de Burger/Ramberger [3]), ii) des systèmes binaires (détermination des points invariants, triangle de Tammann [4], équilibres stables et métastables) iii) jusqu’aux systèmes ternaires (coupes isothermes…).