De l'étude de l'initiation de nanolaminés réactifs Al/CuO par point chaud à l'intégration de pyroMEMS pour la sécurité

From the hot point ignition of Al/CuO reactive nanolaminates to the pyroMEMS integration into safety applications

• Auteur / Autrice : Andréa Nicollet
• Direction : Carole Rossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 06/12/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoélectronique

Combustion

Nanoparticules

Mots clés libres

Al/CuO

Nanothermites

PyroMEMS

Résumé

Les matériaux énergétiques sont les seuls capables de générer une grande quantité d'énergie thermique ou mécanique en un temps très court (µs) suite à un stimulus électrique, mécanique ou thermique. Les matériaux conventionnels, tels que les propergols ou les explosifs, largement utilisés dans les systèmes pyrotechniques actuels sont impactés par les nouvelles normes de sécurités et les restrictions environnementales. Parmi les matériaux nouvellement explorés, les nanothermites (constituées d'un mélange d'aluminium Al et d'un oxyde métallique, ici l'oxyde de cuivre CuO, tous deux dans des dimensions nanométriques) sont particulièrement prometteurs. En réponse à un stimulus, une réaction d'oxydoréduction s'opère, libérant une énergie importante sous forme de chaleur. Le LAAS a été parmi les premiers en France à percevoir la nécessité de trouver des solutions de matériaux énergétiques intégrables en technologie couches minces pour être compatibles avec l'intégration ultime et remplacer, quand cela est possible, les compositions primaires des initiateurs. Aujourd'hui un procédé par pulvérisation cathodique est disponible pour le dépôt de couches énergétiques constituées d'alternance de nanofeuillets d'aluminium (Al) et d'oxyde de cuivre (CuO). Cette thèse a pour objectif de consolider cette technologie de dépôt de couches minces énergétiques, mise au point lors de thèses précédentes, et de promouvoir les applications, notamment par la démonstration de deux dispositifs de sécurité en étroite coopération avec des industriels. Nous avons, d'une part, étudié expérimentalement l'initiation de la réaction thermite Al/CuO par un fil chaud en titane directement en contact avec le matériau nanothermite multicouches. Nous avons montré que les conditions d'initiation de la nanothermite étaient largement influencées par les caractéristiques électriques appliquées aux bornes du fil chaud, mais aussi par la surface de chauffe et la composition de la nanothermite. Les résultats de cette étude publiés dans la revue 'Journal of Applied Physics' ont permis une meilleure compréhension de l'initiation des nanothermites Al/CuO multicouches par point chaud et surtout l'établissement de règles de conception des initiateurs à nanothermite multicouches. [...]

Energetic materials are able to generate high amount of thermal or mechanical energy in a very short time (µs) under an electrical, mechanical of thermal stimulus. Conventional materials, such as propellants or explosives, are widely used in pyrotechnic systems, but, for most of them, they can be impacted by new safety and environmental restrictions. Among the new compounds investigated, nanothermites (mixture of Al and metal oxide, in this case, copper oxide CuO, in nanometric dimensions) are particularly promising. In response to a stimulus, an oxidation-reduction reaction occurs, releasing a significant amount of energy in the form of heat. LAAS was among the first in France to perceive the need to find solutions for energetic materials integrable in thin film technology that are compatible with the ultimate integration and replace, where possible, the primary compositions of the initiators. Today a magnetron sputtering process is available for the growth of reactive nanolaminates consisting of alternating aluminum (Al) and copper oxide (CuO) nanolayers. The objective of this PhD is to consolidate the deposition technology which was developed in previous PhD, and promote applications, particularly by demonstrating two safety devices in close cooperation with industries. In a first part of the work, I experimentally studied the initiation of Al/CuO thermite reactions by a titanium hot wire, directly in contact with the multilayer nanothermite material. We have demonstrated that the nanothermite initiation conditions were largely influenced by electrical characteristics applied to the hot wire terminals, but also by the heating surface area, and the nanothermites' structure and composition. The results of this study published in 'Journal of Applied Physics' allowed a better understanding of the hot point initiation of multilayer Al/CuO nanothermites, and; in particular, the establishment of design rules for multilayer nanothermites initiators. In a second stage of work, nanothermite initiators, here called pyroMEMS, were optimized, manufactured, and integrated into two pyrotechnic safety devices: a gas generator igniter, and a very fast circuit breaker. Interfacing between the nanothermites and the two applications has been studied and the initiators are able to ensure the desired robustness and reliability requirements.