Étude et microfabrication de matériaux réactifs en couche mince

Study and Microfabrication of Multilayer Thin-Film Reactive Materials

• Auteur / Autrice : Vidushi Singh
• Direction : Carole Rossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 14/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Barnabe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laura Bocher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Schaaf, Léo Courty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Matériaux énergétiques

Mots clés libres

Matériaux énergétiques

Nanolaminés

Nanothermites

Couches minces

Energetic materials

Nanolaminates

Nanothermites

Thin-films

Résumé

Pour la génération d'énergie dans une multitude d'applications, les nanothermites présentent une solution prometteuse en raison de leurs densités énergétiques élevées et de leurs propriétés modulables. Contrairement aux matériaux énergétiques conventionnels, les nanothermites offrent des taux de libération d'énergie plus élevés, une plus grande stabilité et la capacité d'ajuster leurs caractéristiques d'allumage et de combustion grâce à l'ingénierie à l'échelle nanométrique. Leur réactivité accrue et leurs vitesses de propagation plus rapides les rendent supérieures pour les applications nécessitant une décharge rapide d'énergie. Cette thèse explore divers films multicouches réactifs (RMF) à base de combustibles métalliques, en se concentrant sur leurs mécanismes d'allumage et de combustion, l'impact des processus de fabrication sur leurs propriétés, et les améliorations potentielles grâce à de nouveaux matériaux et techniques de fabrication. Ce manuscrit est structurée autour de quatre projets distincts, chacun ciblant un aspect spécifique des applications des nanothermites. Le premier projet étudie l'impact des processus de fabrication sur les RMF Al/CuO. Il vise à comprendre comment les variations des paramètres de fabrication peuvent ajuster les propriétés de ces matériaux, optimisant ainsi le processus de fabrication pour des performances améliorées. Le deuxième projet explore les thermites à base de Ti, en mettant l'accent sur leurs caractéristiques d'allumage supérieures. Cette étude démontre comment le Ti peut créer des allumeurs ultra-réactifs, améliorant considérablement la réactivité et la fiabilité des composites énergétiques. Le troisième projet aborde les limitations rencontrées dans les études précédentes en examinant les multicouches hautement réactives à base de TiB2-Al. Une analyse approfondie de leur comportement d'allumage et de combustion, en utilisant la vidéographie à haute vitesse, révèle comment le TiB2 peut servir de combustible efficace pour améliorer les performances des thermites Al/CuO. Ce projet propose également une nouvelle nanothermite ternaire CuO/Al-TiB2, aux performances énergétiques améliorées. Le quatrième et dernier projet étudie les RMF à base de Zr, évaluant le potentiel du Zr comme combustible. Ce chapitre fournit une analyse détaillée de ses caractéristiques d'allumage et de combustion, présentant pour la première fois une compréhension approfondie des mécanismes de réaction pour ces matériaux avancés. À travers ces études, la thèse offre une compréhension exhaustive de divers combustibles métalliques, de leurs mécanismes d'allumage et de combustion, et de la manière dont les processus de fabrication peuvent être variés pour ajuster leurs propriétés. Elle met en lumière le potentiel du Ti pour créer des allumeurs ultra-réactifs, l'amélioration des performances des Al/CuO grâce à l'intégration du TiB2, et le rôle prometteur du Zr comme combustible. Des spectroscopies corrélatives et la vidéographie à haute vitesse sont employées pour élucider les changements de comportement d'allumage et de combustion, fournissant de nouvelles perspectives et établissant des mécanismes de réaction pour ces matériaux.

For energy generation across a multitude of applications, nanoscale thermites present a promising solution due to their high energy densities and tunable properties. Unlike conventional energetic materials, nanothermites offer higher energy release rates, greater stability, and the ability to tailor their ignition and combustion characteristics through nanoscale engineering. Their enhanced reactivity and faster propagation rates make them superior for applications requiring rapid energy discharge. This dissertation explores various metallic fuel-based reactive multilayer films (RMFs), focusing on their ignition and combustion mechanisms, the impact of manufacturing processes on their properties, and potential enhancements through novel materials and fabrication techniques. This dissertation is structured around four distinct projects, each targeting a specific aspect of nanothermite applications. The first project investigates the impact of manufacturing processes on Al/CuO RMFs. It aims to understand how variations in manufacturing parameters can tune the properties of these materials, optimizing the fabrication process for improved performance. The second project explores Ti-based thermites, emphasizing their superior ignition characteristics. This study demonstrates how Ti can create ultra-responsive ignitors, significantly enhancing the reactivity and reliability of energetic composites. The third project addresses the limitations encountered in previous studies by examining TiB2-Al-based highly reactive multilayers. An in-depth analysis of their ignition and combustion behavior, utilizing high-speed videography, reveals how TiB2 can serve as an effective fuel to enhance the performance of Al/CuO thermites. This project also proposes a new ternary CuO/Al-TiB2 nanothermite, showcasing its potential for improved energetic performance. The fourth and final project investigates Zr-based RMFs, evaluating Zr's potential as a fuel. This chapter provides a detailed analysis of its ignition and combustion characteristics, presenting, for the first time, an in-depth understanding of the reaction mechanisms for these advanced materials. Through these studies, the dissertation offers a comprehensive understanding of various metallic fuels, their ignition and combustion mechanisms, and how manufacturing processes can be varied to tune their properties. It highlights the potential of Ti substitution to create ultra-responsive ignitors, the enhancement of Al/CuO performance through TiB2 integration, and the promising role of Zr as a fuel. Correlative spectroscopies and high-speed videography are employed to elucidate the changes in ignition and combustion behavior, providing new insights and establishing reaction mechanisms for these materials.