LMSSMatLMSSMatMMéécanique des Sols, Structures canique des Sols, Structures

et Matet Matéériauxriaux

UMR 8579 CNRS / Ecole Centrale ParisUMR 8579 CNRS / Ecole Centrale Paris

1. Procédés CVD -> renforts hybrides nano/micro

2. CompositeS à renforts longs et particulaires

3. Problèmes fondamentaux- Nano contacts électrique et thermique- Diagnostic in-situ pour le CVD

Croissance des nanotubes de carbone sur les supports micrométriques particulaires

céramiques

Delong He, Anthony Dichiara, Jing Shen, WeilongLi, Maxime Genestoux, Jérôme Hélary

I

V

L’>L

I

V

R probe

R probe-CNT

R CNT

R substrate

R CNT-substrate

Nano contact électrique

R Total = R probe + R probe-CNT + R CNT + R CNT-substrate + R substrate

R CNT-axialR CNT radial

CNT

Substrate

AFM probe

R CNT circumferential

Schéma du réacteur CVD <bottom-up> Mécanisme général

Paramètres étudiés

IIIIII--MMéécanismes canismes dd’’organisationorganisation

α-Al2O3

Morphologie, taille, Structure cristallo

-graphique...

µµAlAl22OO33

CxHyCxHy

C8H10, C2H2

FeFe(C(C55HH55))22

Concentration, Vitesse d’injection

TempTempéératureratureAtmosphAtmosphèèrere

II-- ParamParamèètres de CVDtres de CVD

IIII-- SubstratSubstrat

Mécanisme des organisations des CNTs (II)--Auto-assemblage dependant de structures des CNTs

Structures hybrides multiformes CNTs-μAl2O3

D. He, et al.. Carbon 48 (2010), 1159-1170

«courte-dense-homogène» «six-branches» «oursin»

Densité numérique Diamètre

LongueurCNT

Compétition entre la rigidité et les forces attirantes

III. Mécanisme des organisations des CNTs (I)--Nucléation et croissance dépendantes du substrat

(d)(b)(a) (c)

Distribution des CNTs sur particules μAl2O3 sphériques

arête

axesaxesarêtes

En S

IXbr

anch

es?

T=550-900 ºCVAr : VH2 = 0.72 : 0.08 l min-1

VC8H10 = 0.12 ml min-1

CFeC10H10= 0.05 g ml-1

t= 15 min

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

I. Paramètres CVD: (3) Température3.1) Source de carbone: Xylène

550 600 650 700 750 8000

40

80

120

0

10

20

30

40

50

300

115200 200200

L

diameter, D

Len

gth

(μm

)

Dia

met

er (n

m)

Temperature (°C)

D

100

length, L

aspect ratio, L/D

b, Longueur: ↑

c, Diamètre:↑

d, Densité numérique: ↓

a, Structure six-branches-> Oursin

Forces d’interaction de VdW entre deux CNTs

2 4 6 8 10 12-6

-4

-2

0

2 vdW force between CNTs (25, 8) vdW force between CNTs (40, 32)

van

der W

aals

forc

e (N

/m)

Gap between two CNTs (Å)

( )11 5

12 3.41 3.411.602 10 705.2250 0.28 50 0.28

f RR R

−⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= × × × −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟− + − +⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

Energie potentielle des interactions entre deux SWCNT (modèle LJ)

Girifalco LA, et al. Phys Rev B. 2000;62(19):13104Sun C-H, et al. Chem Phys Lett. 2005;403(4-6):343-6Sun C-H, et al. Phys Rev B. 2006;73(19):195414-5

Reduced potential energy

( )11 5

12 3.41 3.411.602 10 1229.17297 0.28 297 0.28

f RR R

−⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= × × × −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟− + − +⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

%°° °

4 101 3.41 3.41( ) 0.40.6 3.15 0.28 3.15 0.28

RR R

φ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟+ +⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

%°0

( )( )( )| |

RRR

φφφ

=

°0

( )( - )RRR

ρρ

−=

Énergie potentielle d‘interactions par unite de longueur

equilibrium vdW gapand reduced distance

Forces de VdW entre deux MWCNTs

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

0

10

20

30

CNT Length (Å)

The

max

imum

ben

ding

def

lect

ion(

Å)

gap 20 Å gap 30 Å gap 50 Å gap100 Å

θ

L

d

CNT

rAl2O3

a

µAl2O3

bEquation Euler-Bernoulli

( )4

4d uEI f Rdx

=

4

max( )( )8

f R Lu LEI

=

Relation entre le rayon de microparticules sphériques et la longueur pour l‘écartement des CNTs

01 1

02 2

sub

sub

L rL r

≅

1 µm → 2-5 µm de diamètre des sphères d‘alumine 400 µm → ~700 µm de diamètre des sphères ceramiques

Modèle de NANO-Cantilever (MWCNT)

( )4 4

64 o iI d dπ= −

Où E, Module d‘Young, et I, Moment quadratique de la section

Modèle de déflexion d‘un nanotube

Relation entre la déflexion et la longueur

Zhang Q, et al. Carbon 2008;46(8):1152-8.

0 10 20 30 400

400

800

1200

0

2

4

6

8

10

12

CN

T as

pect

ratio

(L/D

)

Hydrogen ratio (vol. %)

CN

T le

ngth

(μm

)

4.1)4.1) Xylène –Acétylène (1%) à 550 °C

(b) L/D=120(d) L/D=350(c) L/D=150

(e) L/D=450 (a) L/D=100

I. Paramètres CVD: (4) Ratio d’hydrogène(C2H2 10 ml min-1 pour 15 min à 550)