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)