Soutenance mémoire
Depuis une dizaine d’années, le “nano” est sans doute le préfixe le plus en vogue dans les revues scientifiques. Des chercheurs prévoient que c’est au cours des 10 prochaines années que les nanomatériaux vont connaître le plus fort développement. Les nanomatériaux sont des matériaux mono ou polyphasés à grains nanométriques (allant jusqu’à 100 nm). Grâce à leurs propriétés physiques, chimiques, mécaniques modifiées par rapport aux matériaux polycristallins obtenus par les méthodes conventionnelles, ces matériaux présentent un intérêt certain pour l’industrie et trouvent des applications dans des secteurs aussi variés que l’aérospatial, la production d’énergie… Ils intègrent plusieurs domaines, allant du magnétisme à l’optique en passant par la chimie, la mécanique,…
De par l’effet de confinement, ces matériaux recèlent une proportion atomique importante comprise dans les surfaces (nanoparticules), les interfaces (multicouches, nanocristallins) et au sein des joints de grains (poudres nanostructurées); ils possèdent des propriétés physiques par conséquent très différentes de celles des matériaux microcristallins ou « massifs » et revêtent un aspect fondamental important. Ces matériaux peuvent ainsi se présenter sous diverses formes selon la dimensionnalité du caractère nanostructuré. On peut distinguer nanoparticules, films minces et multicouches, poudres nanostructurées (particules microniques constituées de grains nanométriques), alliages nanocristallins (nanograins cristallins au sein d’une matrice métallique amorphe), clusters dispersés dans une matrice, …. Les propriétés spécifiques des matériaux nanostructurés sont multiples : physiques, magnétiques, mécaniques, optiques, électriques, chimiques, thermiques, tribologiques. Ces propriétés spécifiques découlent notamment de deux caractéristiques des matériaux nanostructurés, conséquences de leur très faible taille: la quasi-absence de défauts et le fort rapport entre les dimensions de surface et de volume.
Les nanomatériaux
Les matériaux nanostructurés
Lors de la dernière décennie ont été étudiés les matériaux nanostructurés qui ont constitué une nouvelle classe de matériaux, présentant non seulement un intérêt sur le plan fondamental (compréhension de la physique qui gouverne la croissance, la structure et les propriétés de ces matériaux), mais offrant également la perspective de réaliser des matériaux aux propriétés contrôlables et très souvent attrayantes dans de nombreuses applications. Ce dernier aspect est très pertinent pour le développement de nouvelles structures, par exemple dans le cas de la magnétorésistance géante.
La caractéristique commune des matériaux nanostructurés est la variation à l’échelle nanométrique (de quelques nm jusqu’à des dizaines de nm) d’au moins un des paramètres microstructuraux (dimension, taille des grains, composition chimique, densité atomique, orientation cristallographique). Les dimensions recherchées dans les matériaux nanostructurés sont en général inférieures à 100 nm, car c’est dans cette gamme de dimension que diverses propriétés commencent à évoluer de manière significative en raison d’un certain nombre d’effets liés au confinement. Les matériaux nanostructurés sont synthétisés artificiellement par une large variété de méthodes physiques, chimiques et mécaniques et peuvent être classés en fonction de leur dimensionnalité. Par exemple, certaines de ces propriétés changent en fonction de la méthode utilisée. Darozci et al. [1-2] ont montré que l’aimantation à saturation obtenue sur des échantillons de n-Ni préparés par broyage mécanique ou par galvanisation (electroplating) est pratiquement indépendante de la taille des grains. Cependant par la technique de condensation de gaz inerte, on observe une forte diminution de l’aimantation d’environ 40 % [3], attribuée à la présence de joints de grains dans les échantillons de n-Ni. En effet cette diminution est liée à la variation de densité du système ou à la nature des différents défauts (pores,. .).
De nombreux laboratoires mènent activement des recherches à caractère pluridisciplinaire dans ce domaine. Les applications potentielles de ces « nanomatériaux » sont extrêmement variées et intègrent plusieurs domaines, allant du magnétisme à l’optique en passant par la chimie, la mécanique, … De ce fait, les termes nanomatériaux et nanochimie sont indissociables. Ainsi, les progrès enregistrés dans l’étude des nanostructures résultent à la fois de la maîtrise des méthodes de synthèse et de la performance des moyens d’observation à l’échelle atomique.
Les nanomatériaux
Le terme de « nanotechnologie » est un terme générique décrivant des applications dans de nombreux domaines scientifiques mais recouvrant d’une manière générale la recherche sur les principes existant à l’échelle nanométrique, c’est à dire au niveau des atomes et des molécules. Un nanomètre (nm) est la milliardième partie d’un mètre. Il existe des nanomatériaux élaborés ou fabriqués par l’homme et d’autres existants dans la nature. Ces nanomatériaux sont composés de nanostructure (matériaux nanostructurés) qui peuvent être des nanoparticules, des nanotubes (comme les nanotubes de carbone) ou encore des nanocristaux qui présentent l’intérêt d’avoir des caractéristiques spécifiques par rapport aux même matériaux à l’échelle macroscopique. L’acquisition de ces nouvelles propriétés physico-chimique ouvre un immense champ de recherches fondamentales et appliquées regroupées sous l’appellation de « nanoscience ».
Les matériaux nanostructurés
En général, les matériaux nanostructurées sont définis comme des matériaux constitués de polycristaux qui peuvent être monophasés ou polyphasés, ayant la dimension de cristallites inférieure à 100 nm ou même dans une seule dimension [6, 7]. Ces matériaux contiennent une fraction importante des atomes situés aux limites des grains, fraction qui peut leur donner des propriétés intéressantes qui ne se retrouvent pas dans l’équivalent massif [8]. La structure des nanomatériaux peut être considérée comme formée de deux parties : un noyau cristallin (avec structure, paramètre de maille, etc.) et une partie extérieure formée par l’interface (une zone avec lacunes, défauts, peut-être des impuretés) [1, 9].
Les matériaux nanocristallins ont des propriétés supérieures aux matériaux ayant des tailles de grain plus grande, parmi ces propriétés amplifiées par la présence des interfaces et du large rapport surface/volume, on peut citer : la dureté supérieure, diffusivité amplifiée, ductilité supérieure, densité réduite, module élastique réduit, résistivité électrique supérieure, chaleur spécifique plus grande, coefficient de dilatation thermique supérieur, conductivité thermique plus petite et propriétés magnétiques douces meilleures [6].
Leurs applications sont extrêmement diverses : ils serviront, par exemple, à créer des filtres anti-pollution plus sélectifs, des composants électroniques plus fiables, des plastiques plus résistants, etc.
Amas d’atomes ou nanoparticules de dimensionnalité nulle
Les amas ou clusters d’atomes sont de petites particules isolées contenant moins de 10⁴ atomes ou molécules dilués dans une matrice solide ou en suspension dans un liquide (ferrofluides). L’un des intérêts de ces clusters est l’importance scientifique de leurs propriétés physiques et chimiques mais également dans la réalisation de matériaux selon le concept de « Bottom-up ». Leur étude permet ainsi d’explorer la transition progressive des systèmes atomiques ou moléculaires vers la matière condensée.
Les couches multiples et les couches simples nanostructurées d’une ou deux dimensions
Un matériau nanostructuré à 1 D est constitué d’empilements de couches monocristallines ou d’alliages homogènes d’épaisseur nanométrique tandis qu’une nanostructure à 2 D est constituée d’une monocouche polycristalline d’épaisseur nanométrique. Pour des matériaux multicouches composés de couches successives présentant aux interfaces un arrangement parfait de couches successives, on parle de super-réseaux. Généralement les multicouches possèdent des interfaces dont la structure et la composition chimique peuvent différer de celles des couches individuelles. De plus, la faible distance entre deux interfaces successives entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. Ce type de matériaux présente une grande densité d’interface (10²⁵/ m3 pour des grains de 10 nm de diamètre).
Les structures multicouches revêtent un intérêt théorique, notamment sur les mécanismes quantiques élémentaires, ainsi qu’un fort intérêt technologique, du fait de leurs propriétés particulières, telle que la magnétorésistance géante.
Les matériaux nanostructurés ou nanocristallins tridimensionnels
Les matériaux nanostructurés sont constitués de grains mono ou polyphasés dont la taille est inférieure à ~ 50 nm. Ces matériaux sont composés essentiellement de deux grandes parties, une phase cristallisée et une phase interfaciale avec un arrangement désordonné communément appelée joint de grain [10-12]. A cause de la taille des grains une large fraction d’atomes dans ces matériaux est localisée à l’interface. Cette fraction volumique d’atome influençable est de l’ordre de Vg = 3e/, où e est l’épaisseur effective moyenne de la zone d’influence du joint de grain et est la taille moyenne des grains. Pour une épaisseur e ~ 1 nm et une taille de 10 nm, Vg est ainsi d’environ 30%. On distingue généralement une épaisseur de zone intergranulaire variable. Le matériau présente alors une amélioration simultanée des propriétés physiques et mécaniques, par comparaison à celles du matériau massif.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Les nanomatériaux
I. 1 Introduction
I. 2 Les nanomatériaux
I. 3 Les matériaux nanostructurés
I. 4 Classification des nanomatériaux
I. 5 Propriétés spécifiques des nanomatériaux
I. 5. 1 De nouvelles propriétés
I. 5. 2 Propriétés mécaniques des nanomatériaux
I. 5 .3 Propriétés magnétiques des nanomatériaux
I. 5. 4 Propriétés optiques des nanomatériaux
I. 5. 5 Propriétés thermiques des nanomatériaux
I. 6 Domaine d’application des nanomatériaux
I. 7 Les approches d’élaboration des nanomatériaux
I. 8 Les procédés de fabrication des nanomatériaux
I. 9 Broyage mécanique à haute énergie
I. 9. 1 Introduction
I. 9. 2 La mécanosynthèse
I.9.2.1 Principe
I.9.2.2 Les mécanismes de broyage mécanique
I.9.2.3 Paramètres influençant la nature du produit
I.9.2.4 Transformation de phase
I. 10 Les différents broyeurs mécaniques
I. 11 Conclusion
Références bibliographies
Chapitre II : Méthodes expérimentales
II. 1 Introduction
II. 2 Synthèse des matériaux
II. 2. 1. 1 Technique d’Evaporation-Condensation dans un gaz inerte
II. 2. 1. 2. Broyage mécanique à haute énergie (Mécanosynthèse)
II. 2. 1. 2.1 Dispositifs expérimentaux
a. Broyeur vibratoire
b. Broyeur planétaire
II. 2. 1. 3 Elaboration des poudres par mécanosynthèse
II. 3 Méthode de caractérisation
II. 3. 1 Etude de la structure des poudres
Microscopie électronique à transmission (MET)
II. 5 Diagramme de diffraction des rayons X
II. 6 Spectrométrie Mössbauer
II. 6. 1 Principe
II. 6. 2 Déplacement isomérique δ ( mm.s–1)
II. 6. 3 Séparation quadripolaire ∆EQ (mms–1)
II. 6. 4 Champ magnétique hyperfin : H (Tesla)
II. 6. 5 Dispositif expérimental
Références bibliographies
Chapitre III : Généralités sur le fer et le nickel
III.1 Introduction
III. 2 Les éléments purs: le Fe et le Ni
III. 2.1 Structure Cristallographiques
III. 2. 2 Classification du Fer et du Nickel
III. 3 Système fer-nickel
III. 3. 1. Diagramme de phase
III.4 Les alliages Fe-Ni (La famille des fer nickel)
III. 4. 1 Alliages autour de 30 % Ni (L’Invar)
III. 4. 2 Alliages autour de 50 % Ni
III. 4. 3 Alliages autour de 80 % Ni (Permalloy)
III.5 Propriétés physiques des alliages FeNi
III. 5. 1 Température de Curie
III. 5. 2 Paramètre de maille
III. 5. 3 Coefficient de dilatation thermique
III. 5. 4 Résistivité
III. 6 Les propriétés magnétiques des alliages FeNi
III. 7 Propriétés structurales des alliages FeNi
III. 8 Spectroscopie Mössbauer
III. 8.1.Les paramètres hyperfins
III. 8.1.1 Le champ hyperfin
III. 9 Alliages Fe-Ni nanocristallins obtenus par mécanosynthèse
Références bibliographies
Conclusion générale
