Modélisation multiéchelle de la structuration des interfaces dans les nanothermites multicouches Al/Cuo déposées en phase vapeur

par Cloé Lanthony

Thèse de doctorat en Micro et nanosystèmes

Sous la direction de Alain Estève et de Carole Rossi.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Parmi les matériaux énergétiques existants, les nanothermites sont largement étudiées grâce à leur grande densité d'énergie. Nous avons choisi de travailler avec des empilements de couches d'aluminium et d'oxyde de cuivre afin de maximiser cette densité d'énergie (valeur théorique : 21 kJ/cm3) et optimiser le rendement énergétique du matériau pour des applications industrielles. Cette succession de couches nanométriques est réalisée par un procédé de dépôt en phase vapeur (PVD) durant lequel on observe la formation de couches de mélange aux interfaces. Ces couches constituent à la fois une barrière physique à la diffusion des espèces et une perte de matériau réactif. Ceci augmente la stabilité de la nanothermite mais diminue ses performances énergétiques. Le contrôle de la formation de ces couches barrières est donc un enjeu important vers la maîtrise de la réactivité des nanothermites multicouches Al/CuO. Cette thèse est un travail de modélisation multiéchelle constitué de deux parties. Nous voyons d'abord la réactivité d'une surface d'Al au contact de CuO grâce à un code commercial (VASP) utilisant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Ensuite nous utilisons ces résultats à l'échelle atomique pour la construction d'un simulateur de type Monte-Carlo cinétique (KMC). Ce simulateur dépose une couche de matière sur une surface pure d'aluminium Al(111) et permet d'observer un mélange précoce des espèces dans les premiers temps du dépôt. Les premières briques du simulateur étant posées, ce travail est le début d'une étude plus ambitieuse vers l'élaboration d'un outil prédictif de la formation des couches barrières en fonction des conditions de dépôt.

  • Titre traduit

    Multiscale modeling of the interfaces structuring during the Al/Cuo nanotherlites fabrication by a vapor deposition process


  • Résumé

    Among the existing energetic materials, nanothermites are widely studied thanks to their great energy density. We chose to work with stackings of aluminum and copper oxide nanofoils in order to maximize this energy density (theoretical value: 21 kJ/cm3) and optimize the energetic yielding of the material for industrial applications. This multilayer arrangement is realized by a PVD process, during which we can observe the formation of intermixing layers located at the interfaces. These barrier layers are both a physical barrier to the species interdiffusion and a loss of reactive material. Thus the nanothermite has an increased stability in spite of its energetic performances. Mastering the formation of these barrier layers is then a key step towards the control of the reactivity of the Al/CuO multilayer nanothermites. The present thesis is a work of multiscale modeling in the form of a two-part study. We first consider the reactivity of an Al surface towards deposited CuO with the VASP code using the Density Functional Theory (DFT). Then we utilize these atomic-scale results for the construction of a kinetic Monte-Carlo simulator, which is able to deposit a layer of matter onto a pure Al(111) surface and allows us to notice an early mixing between the species during the first steps of the deposition process. The first bricks of the simulatoLMr being laid, this work is the beginning of a more ambitious study towards the construction of a predictive tool for the formation of the barrier layers depending on the experimental process conditions.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (178 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 131-140. Annexes

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2014 TOU3 0047
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