Elaboration et modification de Al₂O₃ nanofibreuse

Elaboration and modifications of nanofibrous Al₂O₃

• Auteur / Autrice : Thi Hang Nga Nguyen
• Direction : Andrei Kanaev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 28/09/2016
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Y Sok Khay Chhor
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giuseppe Leo, Jean-Louis Vignes, Mohamed Amara
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Abderrahmane Bouabellou, Eduard Feldbach

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement thermique

Transitions de phases

Mots clés libres

Alumine ultraporeuse nanofibreuse

Silice modifiée

Énergie d'activation

Ultraporous nanofibrous alumina

Silica-modified

Activation energy

Résumé

Dans le travail de thèse, nous avons étudié le processus de croissance et l’évolution des propriétés structurales de l’alumine ultra-poreuse (UPA) monolithique pendant le traitement thermique dans le domaine des températures entre 20 et 1600 °C. Un modèle théorique a été proposé permettant de décrire et prédire sa structure. La formation de mullite à partir d’alumine imprégnée par la silice a été également étudiée. Les premières mesures conduites sur les propriétés diélectriques des UPA dans le domaine de fréquences GHz-THz montrent des possibilités d’application dans le domaine de l’optique réfractrice. L’installation expérimentale pour l'élaboration des monolithes ultra poreux est décrite. L’étude de la cinétique de croissance à partir d’aluminium technique, ultra pur et monocristallin a permis d’analyser l’influence des différentes impuretés présentes. Les matériaux ont été caractérisés par les méthodes DRX, MET/MEB, ICP/OES, TGA et PL. Les UPA modifiées chimiquement par imprégnation de TMES et TEOS en phase vapeur ont également été analysées. L’étude en fonction de la température des différents matériaux a été menée sur la taille des fibreuse, la surface spécifique, la densité massique, ainsi que la quantité de l’eau structurelle et adsorbée, d’une part, et la structure cristalline d’autre part. L’utilisation des méthodes DRX et PL corrélées a permis d’expliquer une transformation de la phase α de l’UPA en mullite 2:1.Le modèle proposé distingue deux principaux régimes de modification thermique de la structure des UPA : transport de masse sur la surface d’une fibre ou de la masse globalement (frittage). Des énergies d’activation du transport massique et des constantes pre-exponentielles ont été obtenues pour les deux régimes. Les résultats obtenus permettent de conclure que les transformations morphologiques, de la composition chimique et de la phase cristalline sont d’origine commune.

In this PhD work we investigated growth process and evolution of structural properties of ultraporous alumina (UPA) monoliths during thermal treatment in the range between 20 and 1600 °C. A simple theoretical model was proposed permitting description and prediction of the material structure. A particular extension of this study concerns the mullite formation with an increase of the silica loading. Furthermore, first measurements of dielectric properties (refraction index and losses) in GHz-THz range of frequencies were performed, indicating this material to be potentially interesting for fabrication of the refraction optics.The experimental installation for UPA elaboration is described, and the analysis is presented of principal impurities and their influence on the growth kinetics using technical, high-purity and monocrystalline aluminum. The obtained materials were characterized by XRD, TEM, SEM, ICP/OES, TGA and PL methods. UPA modified with TMES and TEOS vapor impregnations were also obtained and analyzed. The fibril size, specific surface area, mass density and content of structural, adsorbed water and crystalline phase were measured for different UPA materials as a function of the annealing temperature. The correlated XRD and PL analyses was performed explaining the conversion of α phase UPA to 2:1 mullite, which fundamental band gap was set to 7.55 eV.The proposed model distinguished two principal regimes of thermal modifications: surface diffusional mass transport over a single fibril and bulk mass transport involving total material mass (sintering). The activation energies of the mass transport and pre-exponential constants (diffusion coefficient and free volume) in both regimes were obtained, providing a better understanding of the underlying physical processes in different UPA materials. Based on these results, we conclude about a common origin of morphological, chemical composition and phase transformations.