L’oxyde de fer(III) rouge (Fe2O3, communément appelé rouille) est l’oxyde de fer le plus couramment utilisé dans la thermite. La magnétite fonctionne également. D’autres oxydes sont parfois utilisés, comme le MnO2 dans le thermite de manganèse, le Cr2O3 dans le thermite de chrome, le quartz dans le thermite de silicium ou l’oxyde de cuivre(II) dans le thermite de cuivre, mais uniquement à des fins spécialisées. Tous ces exemples utilisent l’aluminium comme métal réactif. Les fluoropolymères peuvent être utilisés dans des formulations spéciales, le téflon avec du magnésium ou de l’aluminium étant un exemple relativement courant. Le magnésium/téflon/viton est un autre pyrolant de ce type.
Les combinaisons de glace sèche (dioxyde de carbone congelé) et d’agents réducteurs tels que le magnésium, l’aluminium et le bore suivent la même réaction chimique que pour les mélanges de thermite traditionnels, produisant des oxydes métalliques et du carbone. Malgré la très basse température d’un mélange de glace sèche et de thermite, un tel système peut être enflammé par une flamme. Lorsque les ingrédients sont finement divisés, confinés dans un tuyau et armés comme un explosif traditionnel, cette cryo-thermite est détonable et une partie du carbone libéré dans la réaction émerge sous forme de diamant.
En principe, n’importe quel métal réactif pourrait être utilisé à la place de l’aluminium. Cela est rarement fait, car les propriétés de l’aluminium sont presque idéales pour cette réaction :
- Il est de loin le moins cher des métaux hautement réactifs. Par exemple, en décembre 2014, l’étain était à 19 829 dollars américains/tonne métrique, le zinc à 2 180 dollars américains/t et l’aluminium à 1 910 dollars américains/t.
- Il forme une couche de passivation qui le rend plus sûr à manipuler que de nombreux autres métaux réactifs.
- Son point de fusion relativement bas (660 °C) signifie qu’il est facile de faire fondre le métal, de sorte que la réaction peut se produire principalement dans la phase liquide, elle se déroule donc assez rapidement.
- Son point d’ébullition élevé (2519 °C) permet à la réaction d’atteindre des températures très élevées, puisque plusieurs processus tendent à limiter la température maximale juste en dessous du point d’ébullition. Un tel point d’ébullition élevé est commun parmi les métaux de transition (par exemple, le fer et le cuivre bouillent à 2887 et 2582 °C, respectivement), mais est particulièrement inhabituel parmi les métaux hautement réactifs (cf. magnésium et sodium, qui bouillent à 1090 et 883 °C, respectivement).
- En outre, la faible densité de l’oxyde d’aluminium formé à la suite de la réaction tend à le faire flotter sur le métal pur résultant. Ceci est particulièrement important pour réduire la contamination dans une soudure.
Bien que les réactifs soient stables à température ambiante, ils brûlent avec une réaction exothermique extrêmement intense lorsqu’ils sont chauffés à la température d’allumage. Les produits émergent sous forme liquide en raison des hautes températures atteintes (jusqu’à 2500 °C avec l’oxyde de fer(III)) – bien que la température réelle atteinte dépende de la rapidité avec laquelle la chaleur peut s’échapper dans le milieu environnant. La thermite contient sa propre réserve d’oxygène et ne nécessite aucune source d’air extérieure. Par conséquent, elle ne peut être étouffée et peut s’enflammer dans n’importe quel environnement si la chaleur initiale est suffisante. Elle brûle bien lorsqu’elle est humide et ne peut pas être facilement éteinte avec de l’eau, bien qu’une quantité d’eau suffisante pour éliminer la chaleur puisse arrêter la réaction. De petites quantités d’eau bouillent avant d’atteindre la réaction. Malgré cela, la thermite est utilisée pour le soudage sous l’eau.
Les thermites se caractérisent par une absence presque totale de production de gaz pendant la combustion, une température de réaction élevée et la production de scories fondues. Le combustible doit avoir une chaleur de combustion élevée et produire des oxydes à bas point de fusion et à haut point d’ébullition. L’oxydant doit contenir au moins 25 % d’oxygène, avoir une densité élevée, une faible chaleur de formation et produire des métaux à bas point de fusion et à haut point d’ébullition (afin que l’énergie libérée ne soit pas consommée dans l’évaporation des produits de la réaction). Des liants organiques peuvent être ajoutés à la composition pour améliorer ses propriétés mécaniques, mais ils ont tendance à produire des produits de décomposition endothermique, entraînant une certaine perte de chaleur de réaction et la production de gaz.
La température atteinte pendant la réaction détermine le résultat. Dans un cas idéal, la réaction produit une masse fondue bien séparée de métal et de scories. Pour cela, la température doit être suffisamment élevée pour faire fondre les deux produits de la réaction, le métal obtenu et l’oxyde combustible. Une température trop basse produit un mélange de métal fritté et de scories ; une température trop élevée (supérieure au point d’ébullition de tout réactif ou produit) entraîne une production rapide de gaz, dispersant le mélange réactionnel en combustion, avec parfois des effets similaires à une explosion à faible rendement. Dans les compositions destinées à la production de métal par réaction aluminothermique, ces effets peuvent être contrecarrés. Une température de réaction trop basse (par exemple, lors de la production de silicium à partir de sable) peut être augmentée par l’ajout d’un oxydant approprié (par exemple, le soufre dans les compositions aluminium-soufre-sable) ; une température trop élevée peut être réduite par l’utilisation d’un réfrigérant approprié et/ou d’un flux de laitier. Le flux souvent utilisé dans les compositions pour amateurs est le fluorure de calcium, car il ne réagit que très peu, a un point de fusion relativement bas, une faible viscosité à l’état fondu à haute température (ce qui augmente donc la fluidité du laitier) et forme un eutectique avec l’alumine. En revanche, une trop grande quantité de flux dilue les réactifs au point de ne plus pouvoir entretenir la combustion. Le type d’oxyde métallique a également une influence considérable sur la quantité d’énergie produite ; plus l’oxyde est élevé, plus la quantité d’énergie produite est importante. Un bon exemple est la différence entre l’oxyde de manganèse (IV) et l’oxyde de manganèse (II), où le premier produit une température trop élevée et le second est à peine capable d’entretenir la combustion ; pour obtenir de bons résultats, il est possible d’utiliser un mélange avec un ratio approprié des deux oxydes.
La vitesse de réaction peut également être accordée avec la taille des particules ; les particules plus grossières brûlent plus lentement que les particules plus fines. L’effet est plus prononcé avec les particules nécessitant d’être chauffées à une température plus élevée pour commencer à réagir. Cet effet est poussé à l’extrême avec les nanothermites.
La température atteinte dans la réaction dans des conditions adiabatiques, lorsqu’aucune chaleur n’est perdue dans l’environnement, peut être estimée à l’aide de la loi de Hess – en calculant l’énergie produite par la réaction elle-même (en soustrayant l’enthalpie des réactifs de l’enthalpie des produits) et en soustrayant l’énergie consommée par le chauffage des produits (de leur chaleur spécifique, lorsque les matériaux ne font que changer de température, et de leur enthalpie de fusion et éventuellement de leur enthalpie de vaporisation, lorsque les matériaux fondent ou bouillent). Dans des conditions réelles, la réaction perd de la chaleur dans l’environnement, la température atteinte est donc un peu plus basse. Le taux de transfert de chaleur est fini, donc plus la réaction est rapide, plus elle se rapproche de l’état adiabatique et plus la température atteinte est élevée.
Thermite de ferModification
La composition la plus courante est la thermite de fer. L’oxydant utilisé est généralement soit l’oxyde de fer(III), soit l’oxyde de fer(II,III). Le premier produit plus de chaleur. Le second est plus facile à enflammer, probablement en raison de la structure cristalline de l’oxyde. L’ajout d’oxydes de cuivre ou de manganèse peut améliorer considérablement la facilité d’allumage. La densité de la thermite préparée est souvent aussi faible que 0,7 g/cm3. La densité de la thermite préparée est souvent inférieure à 0,7 g/cm3, ce qui se traduit par une densité énergétique relativement faible (environ 3 kJ/cm3), des temps de combustion rapides et une pulvérisation de fer fondu due à l’expansion de l’air emprisonné. La thermite peut être pressée à des densités aussi élevées que 4,9 g/cm3 (presque 16 kJ/cm3) avec des vitesses de combustion lentes (environ 1 cm/s). La thermite pressée a un pouvoir de fusion plus élevé, c’est-à-dire qu’elle peut faire fondre une tasse en acier là où une thermite de faible densité échouerait. Le thermite de fer, avec ou sans additifs, peut être pressé dans des dispositifs de coupe dotés d’une enveloppe résistante à la chaleur et d’une buse. Le thermite de fer équilibré en oxygène 2Al + Fe2O3 a une densité maximale théorique de 4.175 g/cm3, une température de combustion adiabatique de 3135 K ou 2862 °C ou 5183 °F (avec les transitions de phase incluses, limitées par le fer, qui bout à 3135 K), l’oxyde d’aluminium est (brièvement) fondu et le fer produit est principalement liquide avec une partie sous forme gazeuse – 78,4 g de vapeur de fer par kg de thermite sont produits. Le contenu énergétique est de 945,4 cal/g (3 956 J/g). La densité d’énergie est de 16 516 J/cm3.
Le mélange original, tel qu’il a été inventé, utilisait de l’oxyde de fer sous forme d’écailles de moulin. La composition était très difficile à enflammer.
Thermite au cuivreEdit
La thermite au cuivre peut être préparée en utilisant de l’oxyde de cuivre(I) (Cu2O, rouge) ou de l’oxyde de cuivre(II) (CuO, noir). Le taux de combustion a tendance à être très rapide et le point de fusion du cuivre est relativement bas, de sorte que la réaction produit une quantité importante de cuivre fondu en un temps très court. Les réactions de la thermite au cuivre(II) peuvent être si rapides qu’elle peut être considérée comme un type de poudre éclair. Le mélange équilibré en oxygène a une densité maximale théorique de 5,109 g/cm3, une température de flamme adiabatique de 2843 K (transitions de phase incluses), l’oxyde d’aluminium étant fondu et le cuivre étant à la fois liquide et gazeux ; 343 g de vapeur de cuivre sont produits par kg de cette thermite. Le contenu énergétique est de 974 cal/g.
Le thermite de cuivre(I) a des utilisations industrielles dans, par exemple, le soudage de conducteurs de cuivre épais (cad-soudage). Le mélange équilibré d’oxygène a une densité maximale théorique de 5,280 g/cm3, une température de flamme adiabatique de 2843 K (transitions de phase incluses) avec l’oxyde d’aluminium fondu et le cuivre sous forme liquide et gazeuse ; 77,6 g de vapeur de cuivre par kg de ce thermite sont produits. Le contenu énergétique est de 575,5 cal/g.
ThermatesEdit
La composition de thermate est un thermite enrichi d’un oxydant à base de sel (généralement des nitrates, par exemple le nitrate de baryum, ou des peroxydes). Contrairement aux thermites, les thermates brûlent avec un dégagement de flammes et de gaz. La présence de l’oxydant rend le mélange plus facile à enflammer et améliore la pénétration de la cible par la composition brûlante, car le gaz dégagé projette le laitier fondu et assure une agitation mécanique. Ce mécanisme rend le thermate plus adapté que le thermite à des fins incendiaires et pour la destruction d’urgence d’équipements sensibles (par exemple, des dispositifs cryptographiques), car l’effet du thermite est plus localisé.