Les conducteurs mixtes sont des matériaux céramiques dans lesquels deux espèces chimiques se déplacent : une espèce ionique et une espèce électronique. Le rapport des conductivités électroniques et ioniques est tel que la neutralité électrique est conservée. Cette propriété est obtenue par dopage d’une céramique (le plus souvent de structure perovskite) qui génère la présence de défauts, notamment des lacunes d’oxygène. Le composé est alors qualifié de sous-stœchiométrique en oxygène. Les écarts à la stœchiométrie sont fonction de l’oxyde de départ, de la température et de l’activité chimique des composés. Les MIECs trouvent leurs applications comme matériau d’électrode dans le domaine des piles à combustible et de l’électrolyse hautes températures, ou encore comme matériau de membrane dans le domaine de la production d’oxygène ou de gaz de synthèse (syngas : H2/CO). La production d’oxygène ultra pur à haute température semble particulièrement prometteuse d’un point de vue industriel. L’oxygène est séparé de l’air, à haute température, par conduction ionique à travers une membrane céramique dense. Tous les procédés nécessitant de l’oxygène (oxycombustion, métallurgie, domaine médical, …) sont des applications potentielles de cette technologie.
En service, la fluctuation de la stoechiométrie, résultant du chargement thermique et du flux des ions oxygène à travers la membrane, occasionne des déformations du réseau cristallin qui se traduisent macroscopiquement par une déformation de la membrane et une modification (faible) des propriétés mécaniques. Afin de confirmer le rôle de ces déformations dites « chimiques » dans la rupture des membranes et d’étudier l’influence de paramètres tels que la géométrie (scellement céramique/métal) ou les conditions opératoires (rampe de températures, de changement de gaz), un modèle macroscopique du comportement thermo-chimio-mécanique de ces céramiques a été développé et implémenté dans le logiciel Abaqus. La modélisation est relativement complète, tant du point de vue du comportement de la membrane que des sollicitations : la déformation chimique est prise en compte par l’intermédiaire d’un comportement thermomécanique dédié ; le transport ionique de l’oxygène est également reproduit via une loi de transport dédiée, en lien avec l’évolution du champ de température.
La simulation de différents essais réalisés sous différentes atmosphères contrôlées permet d’illustrer les capacités actuelles du modèle ainsi que ses limites. Enfin, la simulation des différentes phases de fonctionnement d’un réacteur membranaire pour la production de syngas met en lumière l’origine de certaines des difficultés actuelles lors du transfert de ce type de technologie à l’échelle industrielle.
