Nanomatériaux énergétiques sur puce: élaboration, modélisation et caractérisation
Résumé
This work deals with the development of integration processes of thermite energetic layers (a material constituted of an oxidizer and a metal, generally Al) into Microsystems for the fabrication of temperature microsources. It contributes to the development of new on-board powerful and compact energy sources on a chip for applications in the military and the civilian field (aerospace, automotive). After selecting the material, the Al/CuO nanothermite, our work has focused on two axes: (1) development and optimization of nanothermite deposition technologies that allow controlling at best the deposited material stoichiometry and geometry in order to tune its decomposition kinetics and maximize the heat released. (2) nanothermite integration into a micro-initiator. Two simple and reproducible processes have been developed: a process, applicable on less than 1 mm2 areas, based on thermal oxidation leading to the growth of nanowires and another one based on reactive magnetron sputtering allowing obtaining dense and stacks of tunable nanolayers. The energetic material integration onto a micro-heater allows the controlled release of heat (1.2 kJ/g) at 740 K. The nanothermite is able to ignite a propellant up to 270 µm afar. Afterwards, we discuss the prospective for achieving powerful and compact pyrotechnic micro-initiators using collective processes and the development of systems multiscale modelling for a better understanding of the material reactivity and the choice of processes.
Ce travail concerne le développement de procédés d'intégration de couches énergétiques de type thermite (constituées d'un oxyde et d'un métal, généralement Al) dans les microsystèmes pour la réalisation de microsources de température pour des applications militaires et civiles (aérospatiale, automobile). Après avoir sélectionné le matériau à formuler, la thermite Al/CuO, notre travail s'est organisé selon deux axes : (1) élaborer et optimiser des technologies de dépôt d'Al/CuO qui permettent de maîtriser autant que possible les caractéristiques stSchiométriques et géométriques à l'échelle nanométrique du matériau déposé pour en contrôler la cinétique et en optimiser la chaleur de décomposition. (2) intégrer la nanothermite dans un micro-initiateur pour explorer les applications de micro-amorçage. Deux procédés de dépôt simples et reproductibles ont été développés: un procédé fondé sur l'oxydation thermique du Cu qui permet la formation de nanofils pour des surfaces inférieures à 1 mm2 et un procédé fondé sur la pulvérisation cathodique réactive qui permet l'obtention d'empilements successifs de nanofeuillets d'Al/CuO d'épaisseur réglable. L'intégration sur plateforme chauffante micro-usinée de ce matériau permet la libération contrôlée de chaleur (1,2 kJ/g) pour une température de réaction de 740 K. La nanothermite, en tant qu'initiateur, permet la mise à feu de propergol au contact et jusqu'à une distance de 270 µm. Nous discutons ensuite des perspectives ouvertes pour réaliser, au moyen de procédés collectifs, des micro-initiateurs pyrotechniques et de l'importance d'outils de modélisation multi-échelle pour aider à la compréhension de la réactivité du matériau.
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