PRESSIONS PHYSIQUE & CHIMIE DES HAUTES

Pressions statiques

Les pressions statiques s'obtiennent en exerçant une force sur une surface. Pour atteindre les pressions les plus élevées on se sert de systèmes à enclumes tels que la cellule à enclumes de diamant.

Lorsque la substance étudiée a un grand volume, elle peut être enfermée et comprimée dans un appareil de type piston-cylindre. Pour augmenter la résistance mécanique du réservoir, divers procédés sont utilisés, en particulier l'autofrettage qui consiste à appliquer au préalable une pression supérieure à la pression de travail, ce qui a pour effet de dilater les couches intérieures du réservoir tout en conservant élastiques les couches extérieures.

Les propriétés du milieu transmetteur de pression jouent un rôle important ; dans les cellules à enclumes de diamant on utilise un mélange d'alcools jusqu'à environ 13 GPa pour obtenir une pression quasi hydrostatique. Dans d'autres appareils on fait appel à des solides qui conservent une certaine plasticité (pyrophyllite, talc, nitrure de bore). L'emploi de ce dernier type de milieu permet de réaliser des appareils dits « à joint extrudable », comme les « belts » dans lesquels les pistons et la matrice ont des profils coniques (à génératrice courbe), l'extrusion du milieu entre ces éléments au cours de l'avance des pistons assurant à la fois l'étanchéité du volume interne et le soutien mécanique des pistons. La multiplication de la pression est obtenue en mettant en œuvre, par exemple, des pistons de sections différentes dans les dispositifs piston-cylindre, ou des appareils à étages multiples dont le principe consiste à enfermer complètement un appareil à haute pression dans un autre à pression moins élevée. Cette dernière technique présente toutefois l'inconvénient de conduire à des réalisations colossales (presse de 50 000 tonnes en Russie, et presse équivalente au Japon).

Pressions dynamiques

Les ondes de choc peuvent être produites par des moyens mécaniques (explosifs, canons) ou par impact énergétique (faisceaux de particules, lasers). Les explosifs produisent une onde divergente que l'on fait converger vers la cible à l'aide de dispositifs appropriés (générateurs d'ondes planes, sphériques). Les vitesses atteintes sont de l'ordre de 5 à 6 km . s⁻¹ et les pressions obtenues sont d'environ 50 GPa. Toutefois, on peut atteindre par une méthode d'implosion sphérique une pression de l'ordre de 1 TPa. Les canons sont de plusieurs types : canons à gaz pour lesquels les vitesses sont de l'ordre de 1 500 m . s⁻¹, canons à poudre (2 000 m . s⁻¹), canons à double étage, gaz + poudre (5 000 m . s⁻¹), canons électriques (10 000 m . s⁻¹).

Le principe du canon à gaz est d'ouvrir brutalement une enceinte haute pression sur un projectile guidé vers le milieu étudié. Le projectile accélère les particules de la cible et engendre dans celle-ci une discontinuité qui est l'onde de choc. À l'arrière de cette onde le milieu est porté à pression et densité élevées ainsi qu'à haute température. En dehors de la vitesse du front de l'onde, l'autre grandeur caractéristique est la vitesse de déplacement des particules, qui est notablement plus faible et qui est reliée à une grandeur mesurable, la vitesse de la surface libre. Ces grandeurs sont reliées par les trois équations de conservation de l'énergie, de la masse et de la quantité de mouvement, ou équations d'Hugoniot. On détermine expérimentalement au moins deux grandeurs et on en déduit la pression, avec une précision raisonnable ; par contre la température est beaucoup moins bien connue. Les quantités à mesurer : temps (< 10⁻⁶ s), vitesse (> 10² m . s⁻¹), pression (> 10⁶ Pa), nécessitent des techniques[...]