Synthèse de particules nanométriques daluminium: contrôle de la taille et de la chimie de surface par greffage dagents organiques. Yasmine AÏT ATMANE 2e

Synthèse de particules nanométriques d’aluminium:

contrôle de la taille et de la chimie de surface par greffage d’agents

organiques.Yasmine AÏT ATMANE2e annéeDEFA/MAEBourse ONERA

JDD ONERA 28 janvier 2011

Directeur de thèse: Jean-Yves PIQUEMALEncadrants : Lorette SICARD,Claire MANGENEY, (Université P7/ITODYS)

Encadrants ONERA: Mickaël SICARD,Christian MASSON

Nouvelle formulation du propergol solide

Composition d’un propergol solide :Polymère : polybutadiène 10-15% masse

Charge oxydante : perchlorate d’ammonium 60-70% masse

Charge réductrice : Al 15-20% masse

I. ContexteI. Contexte

La propulsion:

3

Par son pouvoir énergétique, la combustion des particules d’aluminium dans les moteurs à propergols solides permet d’accroître les performances des véhicules spatiaux.

Pertes d’énergie


Al de taille micronique

Chambre de combustion

4

Diminution de la taille des particules d’aluminium en dessous de 100 nm

Amélioration des performances énergétiques

Les NPs d’Al augmentent la force de détonation


5

Synthèses par voies physiques

Ablation par pulses laser Electro-explosion d’un fil d’aluminium

Vendues par des sociétés étrangères

Incorporation difficile dans matrice de propergol

pas de contrôle chimique de la surface

Synthèses par voies chimiques

Contrôle de la taille et de l’état de surface des particules


Aujourd’hui:

Futur:

Synthèse et caractérisation de NPs d’Al:

• Contrôle de l’état de surface

• Croissance de polymère

• Incorporation des NPs d’Al dans la matrice propergol

• Évaluation des performances de ce nouveau composites

Département:

Énergétique fondamentale et appliquée

Equipes:

Nanomatériaux

Surface colloïdes nanocompositesAl

Amorceur polymérisation

Al

Polymère


Décomposition de l’hydrure d’aluminium

3 LiAlH4(l) + AlCl3(l) 3 LiCl(s) + 4 AlH3(l)

Aluminium métallique

Position [°2Theta]

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Counts

0

2500

10000

22500

yaa80

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Counts

0

DRX(111) (200) (220) ( 311 ) (222)

un réseau « éponge » particules polydisperses

MEB

II. ProtocoleII. Protocole

Taille ≥100nm

Ti(OPr)4AlH3(l)

Al(s) + 3/2 H2 (g)

Sous atmosphère inerte(1)

(2)

•Minimiser l’oxydation de surface de ces particules

•Surface hydrophobe

Utilisation d’agents organiques

Air AlM/Alox: 0,24 Argon AlM/Alox: 0,27

XPS : Analyse de surface

II. Synthèse d’aluminiumII. Synthèse d’aluminium

métaloxyde

Nom abréviationFormule chimique

Formule semi-développée

Dodécylamine DDA C12H25NH2

Acide perfluorododécanoïque

CF C11F23COOH

Triphénylphosphine TriPP (C6H6)3P

Trioctylphosphine TriOP (C8H17)3P

4-(hydroxymethyl) benzenediazonium

DiazoC7H7ON2

+, BF4-

1. Agents organiques

N

HO

N

BF4-

III. Contrôle de la taille et de la chimie de III. Contrôle de la taille et de la chimie de surfacesurface

Position [°2Theta]

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Counts

0

2500

10000

22500

yaa133

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Counts

0

2500

10000

22500

2. Formation d’aluminium?

(200)

(220)

(311)

(222)

Aluminium métallique

(111)


3. Effet sur la taille des particules?

DRX: Estimation de la taille des cristallites, Formule de Scherrer

Taille des cristallites en fonction du plan réticulaire (nm)

Echantillons (111) (200) (220) (311) (222)

Al 118 100 98 91 93

Al-DDA-air 58 40 43 44 34

Al-DDA-argon 76 77 65 63 63

Diminution de la taille des cristallites

cosTaille moyenne des particules =

K


12


3. Effet sur la taille des particules?

Al-DDA -argon

100 nm

100 nm

Al-DDA -air

Polydispersité

50 nm < Taille < 100nm

4000 3000 2000 1000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Al

Al-DDA

DDA

Tra

nsm

itta

nce

Nombre d'ondecm-1

4. Modification de la surface des particules ?

Présence de DDA à la surface des particules d’Al

Analyse IR : Apparition de bandes caractéristiques des agents organiques

Exemple: échantillon synthétisé en présence de dodécylamine

OH

N-H

C-H


u.a -air

4. Modification de la surface des particules ?

Suspension dans solvant :

Particules en suspensions = surface des particules modifiée


AlAl-DDA-air

Al-DDA-argon

15

Agents organiques

DRX: Taille des cristallites

IR: bandes caractéristiques

MEB

Aucun 110 nm <150 nm

CF air 110 nm Oui

CF argon 100 nm Oui

TriPP air 50 nm Oui <100 nm

TriPP argon 80 nm Non < 100 nm

TriOP air 50 nm Oui <100nm

TriOP argon 100 nm Non <100nm

Diazo argon 40 nm Oui <100nm


nAl / nA.org= 20%

Adsorption de CF et Diazo sous atmosphère inerte

IV. ConclusionsIV. Conclusions

Obtention de particules de taille < 100 nm

Adsorption de DDA, TriPP, TriOP, CF sous air

V. PerspectivesV. Perspectives

Etudier l’influence de l’ajout de germes de platine à différentes concentrations

Poursuivre la caractérisation physico-chimique des particules : BET, XPS, granulométrie…

Faire croître des polymères à la surface des particules

Mettre au point une méthode de dosage de la proportion d’Al métallique et oxydé

Mécanisme de décomposition catalytique d’AlH3

V. PerspectivesV. Perspectives

Évaluer les performances énergétiques

Tester l’incorporation de nos particules dans la matrice propergol

Étudier le vieillissement des particules sous différentes conditions

Merci de votre attentionMerci de votre attention

Remerciements:

ITODYS: F. Herbst, D.Montero, A. Adenier, S. Nowak, C. ConnanL. Sicard, C. Mangeney, J-Y. Piquemal….

ONERA: M. Sicard, C. Masson, F. Ser, F. Cauty…

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