Formation de structures hybride de nanotubes de carbone et de microparticules d'alumine par la méthode CVD : mécanismes et cinétiques chimiques

Formation of hybrid structures of carbon nanotubes and alumina microparticles by CVD method : mechanisms and chemical kinetics

• Auteur / Autrice : Delong He
• Direction : Jinbo Bai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 06/07/2010
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021)
• Jury : Président / Présidente : Paul-Marie Marquaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jinbo Bai, Pascale Launois, Jean-Louis Vignes, Fabien Miomandre, Cathie Vix-Guterl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Nanotubes

Mots clés libres

Structures hybrides

Nanotubes de carbone

Microparticules d’alumine

Méthode CVD

Hybrid structures

Carbon nanotubes

Alumina microparticles

Résumé

Les nanotubes de carbone (CNTs), intégrant à la fois la structure parfaite, la géométrie unique, et des propriétés exceptionnelles, sont d'une grande importance dans le domaine des nanotechnologies. Leur association avec d'autres matériaux produit de nouvelles propriétés remarquables, et étend par conséquent leurs domaines d'applications comme charges multifonctionnelles. Cette thèse vise à développer un nouveau matériau hybride avec une structure multi-échelle à base de CNTs et de particules micrométriques d'alumine (mAl2O3) par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Nos études démontrent que les structures CNTs-mAl2O3 ont une propriété exceptionnelle en matière de transport thermique dans les composites polymères. Celle-ci nous a amenée à explorer plus en profondeur les mécanismes de l’organisation des CNTs sur mAl2O3, et d’étudier la cinétique de réactions chimiques dans l’espace gazeux du réacteur CVD. Dans le premier chapitre, nous faisons une revue de l'état de l'art sur la structure, les propriétés et les applications des CNTs, ainsi que les mécanismes de croissance de CNTs par CVD. Une attention particulière est également accordée aux structures hybrides nano-micrometriques qui sont synthétisées par greffage in-situ des CNTs sur des substrats micrométriques. Dans le deuxième chapitre, nous présentons trois types de structures hybrides, qui sont classifiées selon différents modes d'organisation des CNTs sur les microsphères d'alumine. L'évolution des structures hybrides est démontrée en faisant varier le diamètre, la longueur et la densité numérique des CNTs sur mAl2O3. L’organisation specifique et la dispersion homogène des CNTs permettent de diminuer considérablement leurs résistances de contacts thermiques lorsque les matériaux hybrides CNTs-mAl2O3 sont utilisés comme charges dans les composites polymères. Une amélioration importante de la conductivité thermique des composites Epoxy/CNTs-mAl2O3, par rapport à celle des composites constitués de CNTs et de résine époxy, est obtenue à une fraction massique ultra-faible en CNTs. Dans le troisième chapitre, nous avons étudié en détail les rôles joués par les paramètres CVD et les microparticules sphériques d’alumine dans la construction de structures hybrides multiformes. En particulier, les fortes corrélations entre la température, les sources de carbone et les ratios d'hydrogène ont été discutées. Le lien entre les CNTs et les microparticules est mis en évidence, ainsi que la dynamique de croissance des CNTs. L’auto-organisation des CNTs sur mAl2O3 est expliquée par les deux mécanismes suivants. Dans un premier temps, la structure hétérogène de la surface des particules entraîne une distribution différente des particules du catalyseur, et leur arrangement cristallin spécifique détermine potentiellement l’orientation des CNTs. Dans un deuxième temps, l'auto-assemblage des CNTs est dû à l’interaction des forces faibles de Van der Waals entre CNTs voisins. Le calcul basé sur le modèle du nano-cantilever montre que l’auto-assemblage des CNTs dépend fortement de leur diamètre, de leur longueur et de leur densité numérique sur mAl2O3. Dans le quatrième chapitre, la cinétique chimique des réactions dans l’espace gazeux du réacteur CVD est numériquement analysée. Le processus non-équilibré de CVD qui contient plusieurs phénomènes physico-chimiques est simulé avec succès en combinant la cinétique des réactions chimiques avec les phénomènes de transport physique. Les champs des concentrations de chaque espèce est révélée aux températures utilisées par simulation des réactions chimiques. Les sources effectives de carbone et de fer pour la croissance des CNTs ont été éclaircies en comparant les résultats de simulation avec les observations expérimentales, y compris les mesures de spectrométrie de masse. Ces analyses sont nécessaires pour améliorer la production des hybrides avec des structures homogènes.

Carbon nanotubes (CNTs), integrating perfect structure, unique geometry, and exceptional properties, are of great significance in nanotechnology. Their hybridization with a variety of other materials generates huge amounts of attractive properties, and thus expands largely their application fields as multifunctional fillers. This thesis aims to develop a novel multi-scale hybrid material based on carbon nanotubes and micrometer alumina particles (mAl2O3) by an in-situ floating chemical vapor deposition (CVD) method. Our studies demonstrate that the CNTs-mAl2O3 structures have outstanding thermal transport properties in polymer composites. This greatly motivates us to further explore the organization mechanisms of CNTs on microparticles, and to investigate gas phase chemical reaction kinetics in CVD reactor. In the first chapter, we review the state of the art of research in CNT structure, properties and applications, as well as CNT growth mechanisms in CVD. Special attention is also paid to the nano-micro hybrid structures which are synthesized by in-situ grafting CNTs on micrometer substrates. In the second chapter, we present three types of hybrid structures which are classified according to distinct CNT organization patterns on alumina microspheres. The evolution of the hybrid structures is demonstrated by varying CNT diameter, length and number density on mAl2O3. The specific organization and homogeneous dispersion of CNTs could significantly reduce their thermal contact resistances when the CNTs-mAl2O3 hybrid materials are used as fillers in polymer composites. Enhanced thermal conductivities of the Epoxy/CNTs-mAl2O3 composites are obtained at ultra-low CNT weight fractions compared with that of the composites constituted of pristine CNTs and epoxy. In the third chapter, we investigate in detail the roles played by CVD parameters and alumina spherical microparticles in the construction of multiform hybrid structures. In particular, the strong correlations among the temperature, carbon sources and hydrogen ratios are discussed. The connection between the CNTs and the microparticles are demonstrated, along with the CNT growth dynamics on mAl2O3. The self-organization behavior of CNTs on mAl2O3 is explained by the following two mechanisms: first, heterogeneous surface structures of mAl2O3 generate varied nucleation of catalyst particles, and their specific crystal arrangement potentially determines CNT growth orientations; second, the self assembly of CNTs is due to weak Van der Waals interaction forces between neighboring nanotubes. The calculation based on the nano-cantilever model shows that the CNT self assembly is greatly dependent on their diameter, length and number density on mAl2O3. In the forth chapter, gas phase chemical reaction kinetics in CVD reactor is numerically analyzed. The non-equilibrium CVD processes which involve multi physical-chemical phenomena are successfully simulated by combining the chemical reaction kinetics with the physical transport phenomena. The space-dependent concentration distribution of each species is revealed by simulating the reacting fluid at the used temperatures. The effective carbon and iron precursors for CNT growth are illuminated by comparing simulation results with experimental observations including mass spectrometry measurements. These analyses of chemical reactions in CVD system are helpful to improve the production of the hybrids with homogeneous structures.