Synthèse de particules nanométriques d’aluminium: contrôle de la taille et de la chimie de surface par greffage d’agents organiques. Directeur de thèse: Jean-Yves PIQUEMAL Encadrants : Lorette SICARD, Claire MANGENEY, (Université P7/ITODYS) Encadrants ONERA: Mickaël SICARD, Christian MASSON Yasmine AÏT ATMANE 2e année DEFA/MAE Bourse ONERA JDD ONERA 28 janvier 2011

Nouvelle formulation du propergol solide I. Contexte 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 La propulsion:

Al de taille micronique I. Contexte Par son pouvoir énergétique, la combustion des particules d’aluminium dans les moteurs à propergols solides permet d’accroître les performances des véhicules spatiaux. Chambre de combustion Al de taille micronique Pertes d’énergie

I. Contexte Les NPs d’Al augmentent la force de détonation 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

I. Contexte Synthèses par voies physiques Aujourd’hui: Synthèses par voies physiques Electro-explosion d’un fil d’aluminium Ablation par pulses laser Vendues par des sociétés étrangères Incorporation difficile dans matrice de propergol pas de contrôle chimique de la surface Futur: Synthèses par voies chimiques Contrôle de la taille et de l’état de surface des particules 5 5

I. Contexte Synthèse et caractérisation de NPs d’Al: Contrôle de l’état de surface Croissance de polymère Equipes: Nanomatériaux Surface colloïdes nanocomposites Al Amorceur polymérisation Polymère Incorporation des NPs d’Al dans la matrice propergol Évaluation des performances de ce nouveau composites Département: Énergétique fondamentale et appliquée

II. Protocole Décomposition de l’hydrure d’aluminium DRX MEB 3 LiAlH4(l) + AlCl3(l) 3 LiCl(s) + 4 AlH3(l) (1) Sous atmosphère inerte Ti(OPr)4 AlH3(l) Al(s) + 3/2 H2 (g) (2) DRX MEB 200 nm (111) (200) (220) ( 311 ) (222)  un réseau « éponge »  particules polydisperses Aluminium métallique Taille ≥100nm

II. Synthèse d’aluminium XPS : Analyse de surface Air AlM/Alox: 0,24 Argon AlM/Alox: 0,27 oxyde métal Minimiser l’oxydation de surface de ces particules Surface hydrophobe Utilisation d’agents organiques

III. Contrôle de la taille et de la chimie de surface Agents organiques Nom abréviation Formule chimique Formule semi-développée Dodécylamine DDA C12H25NH2 Acide perfluorododécanoïque CF C11F23COOH Triphénylphosphine TriPP (C6H6)3P Trioctylphosphine TriOP (C8H17)3P 4-(hydroxymethyl) benzenediazonium Diazo C7H7ON2 +, BF4-

III. Contrôle de la taille et de la chimie de surface 2. Formation d’aluminium? (111) (200) (220) (311) (222) Aluminium métallique

III. Contrôle de la taille et de la chimie de surface 3. Effet sur la taille des particules? DRX: Estimation de la taille des cristallites, Formule de Scherrer bcosq Taille moyenne des particules = Kl 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 Diminution de la taille des cristallites

III. Contrôle de la taille et de la chimie de surface 3. Effet sur la taille des particules? Al-DDA -argon 100 nm 100 nm Al-DDA -air Polydispersité 50 nm < Taille < 100nm

III. Contrôle de la taille et de la chimie de surface 4. Modification de la surface des particules ? Analyse IR : Apparition de bandes caractéristiques des agents organiques Exemple: échantillon synthétisé en présence de dodécylamine uN-H Présence de DDA à la surface des particules d’Al u.a -air OH C-H

III. Contrôle de la taille et de la chimie de surface 4. Modification de la surface des particules ? Suspension dans solvant : Al Al-DDA-air Al-DDA-argon Particules en suspensions = surface des particules modifiée

III. Contrôle de la taille et de la chimie de surface nAl / nA.org= 20% Agents organiques DRX: Taille des cristallites IR: bandes caractéristiques MEB Aucun 110 nm <150 nm CF air Oui CF argon 100 nm TriPP air 50 nm <100 nm TriPP argon 80 nm Non < 100 nm TriOP air <100nm TriOP argon Diazo argon 40 nm

IV. Conclusions Obtention de particules de taille < 100 nm Adsorption de DDA, TriPP, TriOP, CF sous air Adsorption de CF et Diazo sous atmosphère inerte

V. Perspectives 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 Etudier l’influence de l’ajout de germes de platine à différentes concentrations Mécanisme de décomposition catalytique d’AlH3

V. Perspectives Étudier le vieillissement des particules sous différentes conditions Évaluer les performances énergétiques Tester l’incorporation de nos particules dans la matrice propergol

Merci de votre attention Remerciements: ITODYS: F. Herbst, D.Montero, A. Adenier, S. Nowak, C. Connan L. Sicard, C. Mangeney, J-Y. Piquemal…. ONERA: M. Sicard, C. Masson, F. Ser, F. Cauty… Merci de votre attention