Influence de la texture dans l'oxydation et la combustion des poudres d'aluminium

How texture influences the oxidation and combustion of aluminum nanopowders

• Auteur / Autrice : Pierre-Henry Esposito
• Direction : Renaud Denoyel, Marie-Vanessa Coulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 14/10/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Matériaux divisés, interfaces, réactivité, électrochimie (MADIREL) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Knauth
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Porcher, Eric Lafontaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Comet, Loïc Favergeon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Métallurgie des poudres

Aluminium

Thermodynamique

Mots clés libres

Poudres d’aluminium

Broyage haute énergie

Texture

Microstructure

Réactivité

Oxydation

Modélisation cinétique

Propergol solides et hybrides

Nanothermites

Aluminum powders

High energy ball milling

Texture

Microstructure

Reactivity

Oxidation

Kinetic model

Solid et hybrid propellant

Nanothermites

Résumé

Cette thèse traite des poudres d’aluminium utilisées dans les mélanges énergétiques. Grâce à la technique de broyage planétaire haute énergie, nous avons synthétisé des poudres d’aluminium micrométriques ou nanométriques. Au moyen de techniques d’analyses diverses, nous avons caractérisé leur texture, comportement thermique, structure et microstructure. Des poudres avec un état de division comparable aux échantillons sphériques ont été produites par optimisation du procédé de broyage. Avec des critères de réactivité, nous montrons que le broyage permet la synthèse de poudres de réactivité comparable voire meilleure que celle des poudres commerciales. Nous avons étudié les mécanismes d’oxydation des poudres en réalisant des analyses thermogravimétriques sous air en mode isotherme ou à vitesse de réaction contrôlée. Enfin, la réactivité des poudres élaborées au laboratoire a été évaluée grâce à différents tests de combustion. La formulation de propergol et des tests de propulsions ont été réalisés en collaboration avec ONERA. Les tests de formulation de propergols solides ont été réussi et les tests de combustions moteur ont montré une vitesse de régression élevée pour le propergol contenant les nanoplaquettes. Dans un second temps, les poudres ont été utilisées dans des nanothermites Al/CuO et des tests de combustion ont été menés avec le laboratoire NS3E de l’institut franco-allemand de Saint-Louis. Les tests de combustion de thermites ont montré des vitesses de régressions plus faibles avec des nanothermites contenants des nanoplaquettes. Cependant, ces dernières semblent légèrement désensibilisées à la friction ou aux décharges électrostatiques

This thesis deals with aluminum powders used in energetic materials. Thanks to the high-energy planetary ball milling technique, we have synthesized aluminum powders having micrometric or nanometric dimensions. Their texture, thermal behavior, structure and microstructure before and during oxidation were studied. Nanoflakes with similar specific surface areas than commercial spherical powders have been obtained from the optimization of the milling process. We have established reactivity criteria and we show that high-energy ball milling allows the synthesis of powders with a similar or better reactivity than spherical powders. The oxidation mechanism of aluminum powders was also followed with thermogravimetric analysis under air either in isothermal mode or using a controlled reaction rate. The modeling of powders oxidation was carried out using principles of heterogeneous kinetics and show that morphology does not impact the oxidation. Finally, the reactivity of the powders was evaluated thanks to various combustion tests. Propellant formulation and propulsion tests were carried out in collaboration with ONERA. The solid propellant formulation tests were successful, and the engine combustion tests showed a high regression rate for the propellant containing the nanoflakes. The preparation of nanothermites and their combustion tests were conducted at the NS3E laboratory of the franco-german Institute of St. Louis. Al/CuO nanothermites formulations were successfully carried out and combustion tests showed lower regression rates for nanothermites containing nanoflakes. However, they seem slightly desensitized to friction or electrostatic discharge