Synthèse de particules nanométriques d’aluminium: contrôle de la taille et de la chimie de surface par greffage d’agents organiques. Yasmine AÏT ATMANE 2e année DEFA/MAE Bourse ONERA JDD ONERA 28 janvier 2011 Directeur de thèse: Jean-Yves PIQUEMAL Encadrants : Lorette SICARD, Claire MANGENEY, (Université P7/ITODYS) Encadrants ONERA: Mickaël SICARD, Christian MASSON
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Synthèse de particules nanométriques daluminium: contrôle de la taille et de la chimie de surface par greffage dagents organiques. Yasmine AÏT ATMANE 2e.
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Synthèse de particules nanométriques d’aluminium:
contrôle de la taille et de la chimie de surface par greffage d’agents
Par son pouvoir énergétique, la combustion des particules d’aluminium dans les moteurs à propergols solides permet d’accroître les performances des véhicules spatiaux.
Pertes d’énergie
I. ContexteI. Contexte
Al de taille micronique
Chambre de combustion
4
Diminution de la taille des particules d’aluminium en dessous de 100 nm
Amélioration des performances énergétiques
Les NPs d’Al augmentent la force de détonation
I. ContexteI. Contexte
5
Synthèses par voies physiques
Ablation par pulses laser Electro-explosion d’un fil d’aluminium
Vendues par des sociétés étrangères
Incorporation difficile dans matrice de propergol
pas de contrôle chimique de la surface
Synthèses par voies chimiques
Contrôle de la taille et de l’état de surface des particules
I. ContexteI. Contexte
Aujourd’hui:
Futur:
Synthèse et caractérisation de NPs d’Al:
• Contrôle de l’état de surface
• Croissance de polymère
• Incorporation des NPs d’Al dans la matrice propergol
• Évaluation des performances de ce nouveau composites
Département:
Énergétique fondamentale et appliquée
Equipes:
Nanomatériaux
Surface colloïdes nanocompositesAl
Amorceur polymérisation
Al
Polymère
I. ContexteI. Contexte
Décomposition de l’hydrure d’aluminium
3 LiAlH4(l) + AlCl3(l) 3 LiCl(s) + 4 AlH3(l)
Aluminium métallique
Position [°2Theta]
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Counts
0
2500
10000
22500
yaa80
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Counts
0
DRX(111) (200) (220) ( 311 ) (222)
un réseau « éponge » particules polydisperses
MEB
II. ProtocoleII. Protocole
Taille ≥100nm
Ti(OPr)4AlH3(l)
Al(s) + 3/2 H2 (g)
Sous atmosphère inerte(1)
(2)
•Minimiser l’oxydation de surface de ces particules
•Surface hydrophobe
Utilisation d’agents organiques
Air AlM/Alox: 0,24 Argon AlM/Alox: 0,27
XPS : Analyse de surface
II. Synthèse d’aluminiumII. Synthèse d’aluminium
métaloxyde
Nom abréviationFormule chimique
Formule semi-développée
Dodécylamine DDA C12H25NH2
Acide perfluorododécanoïque
CF C11F23COOH
Triphénylphosphine TriPP (C6H6)3P
Trioctylphosphine TriOP (C8H17)3P
4-(hydroxymethyl) benzenediazonium
DiazoC7H7ON2
+, BF4-
1. Agents organiques
N
HO
N
BF4-
III. Contrôle de la taille et de la chimie de III. Contrôle de la taille et de la chimie de surfacesurface
Position [°2Theta]
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Counts
0
2500
10000
22500
yaa133
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Counts
0
2500
10000
22500
2. Formation d’aluminium?
(200)
(220)
(311)
(222)
Aluminium métallique
(111)
III. Contrôle de la taille et de la chimie de III. Contrôle de la taille et de la chimie de surfacesurface
3. Effet sur la taille des particules?
DRX: Estimation de la taille des cristallites, Formule de Scherrer
Taille des cristallites en fonction du plan réticulaire (nm)
Echantillons (111) (200) (220) (311) (222)
Al 118 100 98 91 93
Al-DDA-air 58 40 43 44 34
Al-DDA-argon 76 77 65 63 63
Diminution de la taille des cristallites
cosTaille moyenne des particules =
K
III. Contrôle de la taille et de la chimie de III. Contrôle de la taille et de la chimie de surfacesurface
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III. Contrôle de la taille et de la chimie de III. Contrôle de la taille et de la chimie de surfacesurface
3. Effet sur la taille des particules?
Al-DDA -argon
100 nm
100 nm
Al-DDA -air
Polydispersité
50 nm < Taille < 100nm
4000 3000 2000 1000
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Al
Al-DDA
DDA
Tra
nsm
itta
nce
Nombre d'ondecm-1
4. Modification de la surface des particules ?
Présence de DDA à la surface des particules d’Al
Analyse IR : Apparition de bandes caractéristiques des agents organiques
Exemple: échantillon synthétisé en présence de dodécylamine
OH
N-H
C-H
III. Contrôle de la taille et de la chimie de III. Contrôle de la taille et de la chimie de surfacesurface
u.a -air
4. Modification de la surface des particules ?
Suspension dans solvant :
Particules en suspensions = surface des particules modifiée
III. Contrôle de la taille et de la chimie de III. Contrôle de la taille et de la chimie de surfacesurface
AlAl-DDA-air
Al-DDA-argon
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Agents organiques
DRX: Taille des cristallites
IR: bandes caractéristiques
MEB
Aucun 110 nm <150 nm
CF air 110 nm Oui
CF argon 100 nm Oui
TriPP air 50 nm Oui <100 nm
TriPP argon 80 nm Non < 100 nm
TriOP air 50 nm Oui <100nm
TriOP argon 100 nm Non <100nm
Diazo argon 40 nm Oui <100nm
III. Contrôle de la taille et de la chimie de III. Contrôle de la taille et de la chimie de surfacesurface
nAl / nA.org= 20%
Adsorption de CF et Diazo sous atmosphère inerte
IV. ConclusionsIV. Conclusions
Obtention de particules de taille < 100 nm
Adsorption de DDA, TriPP, TriOP, CF sous air
V. PerspectivesV. Perspectives
Etudier l’influence de l’ajout de germes de platine à différentes concentrations
Poursuivre la caractérisation physico-chimique des particules : BET, XPS, granulométrie…
Faire croître des polymères à la surface des particules
Mettre au point une méthode de dosage de la proportion d’Al métallique et oxydé
Mécanisme de décomposition catalytique d’AlH3
V. PerspectivesV. Perspectives
Évaluer les performances énergétiques
Tester l’incorporation de nos particules dans la matrice propergol
Étudier le vieillissement des particules sous différentes conditions
Merci de votre attentionMerci de votre attention
Remerciements:
ITODYS: F. Herbst, D.Montero, A. Adenier, S. Nowak, C. ConnanL. Sicard, C. Mangeney, J-Y. Piquemal….