Etude théorique du vieillissement des nanolaminés Al/CuO

Theoretical study of Al/Cuo nanolaminate ageing

• Auteur / Autrice : Guillaume Lahiner
• Direction : Alain Estève, Carole Rossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 21/05/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Mehdi Djafari-Rouhani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Estève, Carole Rossi, Mehdi Djafari-Rouhani, Benoît Appolaire, Florence Baras, Mohamed Belhaj, Nicolas Richard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Appolaire, Florence Baras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réactifs sur support

Matériaux -- Détérioration

Matériaux métastables

Mots clés libres

Nanothermite

Nanolaminés réactifs

Al/CuO

Modélisation de la combustion

Modélisation du vieillissement

Nanothermite

Reactive nanolamoinate

Al/CuO

Combustion modelling

Modelling of ageing

Résumé

Les thermites permettent, une fois initiées, de générer une grande quantité d'énergie chimique, stockée dans des structures métastables dans lesquelles coexistent des un oxydant (typiquement un oxyde métallique) et un réducteur (typiquement l'aluminium). Les thermites nanolaminés, empilements successifs de couches d'oxydant et de réducteur, offrent une architecture hautement contrôlable et ont été incorporées à une variété de dispositifs micro-pyrotechniques couramment utilisés dans les systèmes micro-electromécaniques (micro-electromechanical systems - MEMS) afin de produire des pyroMEMS. Au cours des deux dernières décennies, les nanolaminés Al/CuO ont particulièrement attiré l'attention en raison de leur réactivité élevée et de leur capacité à générer du gaz. Cependant, malgré les nombreux travaux dédiés aux nanothermites durant cette période, la littérature spécifiquement consacrée aux problèmes de vieillissement est rare et concerne exclusivement les nanothermites sous forme de poudres. Dans ce contexte, le LAAS-CNRS et le CEA ont étudiés le vieillissement des nanolaminés Al/CuO, et ce en réalisant des images in silico des modifications structurelles responsables des altérations de performances observées lorsque les nanolaminés sont sujets à un stockage sur le long terme à température ambiante et après recuit. Concrètement, dans cette thèse, différentes types structures nanolaminés Al/CuO sont considérées, et leur vieillissement analysé, particulièrement en termes d'évolution de l'épaisseur des interfaces et de consommation du réservoir énergétique. Cet effet du vieillissement (vieillissement thermique) sur le délai d'initiation et les performances de combustion de diverses structures est étudié. En complément des simulations, des nanolaminés Al/CuO ont été produits, et certains ont été recuits tels que prescrit par le modèle de vieillissement proposé afin de valider les prédictions théoriques. Ce travail a permis pour la première fois, d'éclaircir la cinétique de l'évolution des couches de réactifs et produits (incluant Al, CuO, Cu2O, Al2O3) de nanolaminés Al/CuO recuits à relativement basses températures (ambiante à 500 °C). Il s'agit d'un progrès important pour la communauté des thermites, non seulement grâce aux données collectées sur le vieillissement des nanolaminés Al/CuO, mais également car il propose une méthodologie pouvant être appliquée à d'autres types de thermites.

Thermite materials allow, once ignited, to release a great amount of chemical energy, stored in metastable structures where coexist an oxidizing material (typically a metal oxide) and a reducing material (typically aluminum). Thermite nanolaminates, alternative layer of oxidizer and fuel, offer a highly controllable architecture and have been incorporated into a variety of micro-pyrotechnic devices commonly used in micro-electromechanical systems (MEMS) to produce pyroMEMS. Over the two last decades, Al/CuO nanolaminates have drawn particular attention due to their high reactivity and gas generation ability. But, despite the active research dedicated to nanothermites over the two last decades, the literature specifically dedicated to aging issues is rare and exclusively concerns nanothermites in the form of mixed powders. In this context, the LAAS-CNRS and the CEA investigate Al/CuO nanolaminates aging in an original manner, allowing for effcient in silico screening of structures modification and ensuing performances alteration when the Al/CuO thermite nanolaminates are subject to long-term storage at the ambient temperature and upon annealing. Concretely, within this phD thesis, representative types of Al/CuO nanolaminates structures are considered, and their aging analyzed, notably in terms of interfacial layer thickness evolution and energetic reservoir consumption. This aging effect (temperature out of any other chemistry associated with the storage environment) on both initiation time and combustion performances (ignition and combustion) of various structures is investigated. In complement to simulations, Al/CuO nanolaminates structures were fabricated, and some of them were annealed as prescribed by the proposed aging model to support the theoretical predictions. This work permits for the first time to unravel the kinetics of the reactant and product layer thicknesses (including Al, CuO, Cu2O, Al2O3) of reacting sputter-deposited Al/CuO nanolaminates upon annealing at low temperature (ambient to 500 °C). It represents an important progress for the community of thermites, not only thanks to the data collected on the aging of Al/CuO nanolaminates, but also as it presents an original methodology that can be applied to other thermite materials.