Nanocomposites nanotubes de carbone - céramique à microstructure contrôlée : préparation et propriétés

Carbon nanotube - ceramic nanocomposites with controlled microstructure : preparation and properties

• Auteur / Autrice : Anne Kasperski
• Direction : Alain Peigney, Alicia Weibel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zircone

Matériaux céramiques

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotubes de carbone

Céramiques

Alumine

Zircone

Nanocomposites

Conductivité électrique

Propriétés mécaniques

Propriétés tribologiques

Résumé

L'incorporation de nanotubes de carbone (NTC) dans une céramique est une voie prometteuse pour obtenir des nanocomposites conducteurs électriques, renforcés mécaniquement et présentant des propriétés tribologiques intéressantes. Nous avons cherché à élaborer des nanocomposites NTC-alumine, avec des NTC à 1, 2, 8 ou 20 parois (notés xNTC, x = 1, 2, 8, 20), à microstructure submicronique homogène. Les poudres NTC-Al2O3 ont été préparées selon deux voies (synthèse in situ et mélange) et ont été densifiées par frittage sous charge (HP) ou par frittage flash (SPS). Les conductivités électriques ont été reliées au degré de dispersion des NTC. Les propriétés mécaniques ont été corrélées aux caractéristiques des NTC et aux techniques d'élaboration. La longueur des NTC détermine leur ancrage mécanique au sein de la matrice et la fonctionnalisation non covalente (gomme arabique) permet, contrairement à une fonctionnalisation covalente, de préserver l'intégrité des NTC conduisant à d'importants pontages de fissures dans les matériaux. Les techniques d'élaboration permettant les meilleures dispersions de NTC au sein de l'alumine ont été transposées à une matrice zircone yttriée à 3% mol. Pour élaborer des nanocomposites à différentes teneurs en carbone, avec des 2NTC ou 8NTC. Le coefficient de frottement des couples acier/2NTC-zircone a été diminué jusqu'à 2,5 fois grâce à une lubrification par déformation des 2NTC, et celui des couples alumine/8NTC-zircone jusqu'à 3,5 fois grâce à la formation d'un film lubrifiant dû à l'exfoliation des 8NTC

The incorporation of carbon nanotubes (CNT) in a brittle and insulator ceramic matrix is expected to enhance fracture toughness and fracture strength, to improve tribological properties and also gives rise to an electrical conducting material. We aimed to produce CNT-alumina nanocomposites with homogeneous submicronic microstructure and CNT with 1, 2, 8 or 20 walls (named xCNT, x = 1, 2, 8 or 20). CNT-Al2O3 powders were prepared by two routes (in-situ synthesis and mixing) and densified by hot-pressing (HP) or spark plasma sintering (SPS). The electrical conductivities were linked to the degree of CNT dispersion. The mechanical properties were correlated to preparation routes and CNT characteristics. The CNT length determine their mechanical locking inside the matrix and the non-covalent functionalization (gum arabic), contrary to the covalent functionalization, preserves the CNT integrity which leads to large scale crack-bridging in the materials. Preparation techniques which led to the best dispersions of CNT in alumina were transposed to zirconia with 3% mol. Yttria to prepare nanocomposites with different carbon contents of 2CNT or 8CNT. The friction coefficient of steel/2NTC-zirconia couples was decreased up to 2. 5 times thanks to a lubrication by deformation of the 2CNT, and the one of alumina/8CNT-zirconia couples up to 3. 5 times through the formation of a lubricant film due to 8NTC exfoliation