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Etude des mécanismes d’initiation et de vieillissement de films nanothermites pour la fabrication de micro initiateurs pyroMEMS robuste et très basse énergie

Description

Contexte de la thèse

 

Les films multicouches thermites, également appelés nanolaminés réactifs (cf. Figure 1 (a), composés de couches minces alternées (dizaines à centaines de nm) de métal / oxyde, ont diverses utilisations dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS), la microélectronique et les applications de soudure des matériaux. En particulier, les systèmes multicouches Al/CuO1-2 sont largement étudiés pour des applications d’ initiation3-5 en raison de leur densité d'énergie volumétrique élevée (> 13 kJ/cm3) et de leur propension à produire du gaz très énergétique. De plus, les réactifs Al et CuO, sont compatibles avec les technologies MEMS et aujourd’hui des techniques de dépôts collectifs en phase vapeur, comme la pulvérisation cathodique, sont disponibles pour envisager leur diffusion dans les applications.

 

En 2010, la thèse de doctorat de M. Petrantoni au LAAS, a permis le développement d’une technologie d’intégration de nanothermites Al/CuO multicouches sur un filament résistif en Pt. Par la suite, deux thèses CNES consécutives, celles de G. Taton, et L. Glavier, ont abouti au développement d’une puce d’initiation appelée pyroMEMS dont la technologie fait toujours référence aujourd’hui. Elle est composée d’un filament titane en couche mince, sur lequel 15 bicouches Al/CuO sont déposées par pulvérisation cathodique. Afin d’obtenir des énergies d’initiation faibles, compatibles avec une électronique de commande embarquée, une membrane en polymère isole thermiquement le filament résistif du substrat pour minimiser les pertes par conduction, comme présenté en Figure 1 (a) ou (b) suivant la version et les applications.

Aujourd’hui les puces d’initiation pyroMEMS sont diffuséss pour multiples applications : gràce à la “versatilité” des technologies MEMS qui permet en variant les dimensions du filament, les matériaux constitutifs (substrat et membrane isolante), d’adapter les caractéristiques d’initiation aux contraintes applicatives (seuil de non feu, temps initiation, …).

Problématiques de la thèse

Cette dernière décennie a mis l’accent sur la mise au point technologique de pyroMEMS performants et répondant aux exigences applicatives, notamment celles du projet “pyronumérique”. Or, afin de réaliser la transition de cette technologie PyroMEMS vers l’industrie, de nombreuses questions scientifiques non adressées, notamment sur les mécanismes d’initiation et de vieillissement des nanothermites Al/CuO, doivent être élucidées.

 

Par exemple, l’influence des paramètres physiques des matériaux (densité des couches, contrainte résiduelle…) très fonction des paramètres de dépôt sur les propriétés d’initiation et de combustion des multicouches n’a jamais été étudiée jusqu’ici, ce qui est bloquant pour maîtriser la technologie pyroMEMS. Aussi, l’influence des paramètres environnants sur l’initiation et la combustion reste non élucidée.

 

Nous proposons au travers de cette thèse de doctorat de mettre en place un plan de travail expérimental/théorique rigoureux afin d’adresser les questions encore ouvertes :

 

1. Quel volume minimal faut-il chauffer à la température d’initiation (ou autoinflammation) pour initier la reaction thermite ?

2. Quelle est l’influence des paramètres structurels (épaisseur bicouche) et des contraintes résiduelles des couches Al et CuO (très dépendante du procédé de dépôt) sur la valeur de la température d’autoinflammation?

3. Quelle est l’influence des paramètres structurels (épaisseur bicouche) et des contraintes résiduelles sur la température de flamme et la vitesse de réaction ? Nous pensons qu’un niveau de contrainte résiduelle trop élevé peut induire la désintégration anticipée des multicouches, et donc modifier les propriétés de combustion.

4. Quelle est l’influence de la dose de l’énergie amenée pour initier, sur la mise en régime de la combustion?

5. Quelles sont les mécanismes qui gouvernent l’initiation (diffusion de l’oxygène en phase condensée? Y a t’il du frittage à basse température?) et quels paramètres du matériau les régulent : épaisseur et nature des couches et des interfaces, nature de l’oxyde, contraintes résiduelles…

 

Objectifs de la thèse

 

D’abord, sur la base des technologies existantes au LAAS (procédé pulvérisation cathodique, suivant procédé Thin Film Equipment), des multicouches de différentes compositions et caractéristiques seront fabriquées suivant un plan d’expérience défini en début de thèse, puis caractérisées en initiation et combustion grâce à des instruments avancés tels que la diffraction aux rayons X, MET à balayage haute résolution (Microscopie électronique à transmission), la nanocalorimétrie et la spectrométrie ultra-rapide. 

La confrontation des différents résultats, permettra d’établir les relations entre procédé et paramètres de dépôt CuO/ composition et structure / caractéristiques initiation et réaction des multicouches qui n'existent pas encore. C’est le premier objectif scientifique de la thèse à 1 an.

Le deuxième objectif scientifique important sera d'obtenir d'ici la fin de la 2eme année, une liste exhaustive des mécanismes responsables de l’initiation, des réactions à basses températures (< 300 °C) reponsable du vieillissement et ce en fonction des paramètres de structure pour mettre en œuvre un modèle d’initiation et de vieillissement (selon l'approche Deal & Groove8) en année 3.

 

A la fin de la thèse, l’étudiant proposera un liste de structures Al/CuO intégrables dans les initiateurs pyroMEMS de façon fiable, reproductible et initiables avec des énergies très faibles, compatible avec la technologie pyronumérique.

Retombées

Les innovations attendues de ce travail sont évidentes. Outre les progrès sur la connaissance des réactions thermites à l’échelle nanométrique, nous devrions proposer un modèle de vieillissement pouvant prédire l’évolution des propriétés des multicouches en fonction de la durée de stockage et des températures. Ceci conditionne la mise sur le marché de ces matériaux. Ainsi, ces couches nanothermites, bien mieux contrôlées, pourront définitivement être transférées vers les applications et intégrées dans les produits futurs.

 

Références

1.Petrantoni, M.; Rossi, C.; Salvagnac, L.; Conedera, V.; Esteve, A.; Tenailleau, C.; Alphonse, P.; Chabal, Y. J., Multilayered Al/CuO thermite formation by reactive magnetron sputtering: Nano versus micro. J Appl Phys 2010, 108 (8).

2. Manesh, N. A.; Basu, S.; Kumar, R., Experimental flame speed in multi-layered nano-energetic materials. Combust Flame 2010, 157 (3), 476-480.

3. Zhou, X.; Shen, R. Q.; Ye, Y. H.; Zhu, P.; Hu, Y.; Wu, L. Z., Influence of Al/CuO reactive multilayer films additives on exploding foil initiator. J Appl Phys 2011, 110 (9).

4. Zhu, P.; Shen, R. Q.; Ye, Y. H.; Zhou, X.; Hu, Y.; Wu, L. Z., Energetic Igniters Based on Al/CuO/B/Ti Reactive Multilayer Films. Theory and Practice of Energetic Materials (Vol Ix), Proceedings of the 2011 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics 2011, 756-760.

5. Zhang, K. L.; Rossi, C.; Petrantoni, M.; Mauran, N., A nano initiator realized by integrating Al/CuO-based nanoenergetic materials with a Au/Pt/Cr microheater. J Microelectromech S 2008, 17 (4), 832-836.

6. Taton, G.; Lagrange, D.; Conedera, V.; Renaud, L.; Rossi, C., Micro-chip initiator realized by integrating Al/CuO multilayer nanothermite on polymeric membrane. J Micromech Microeng 2013, 23 (10).

7. Glavier, L.; Nicollet, A.; Jouot, F.; Martin, B.; Barberon, J.; Renaud, L.; Rossi, C., Nanothermite/RDX-Based Miniature Device for Impact Ignition of High Explosives. Propell Explos Pyrot 2017, 42 (3), 307-316.

8. Deal, B. E.; Grove, A. S., General Relationship for the Thermal Oxidation of Silicon J Appl Phys 1965, 36 (3770 ).

Profil

Master 2

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : CNRS/LAAS
Directeur(rice) de thèse/recherche : ROSSI Carole
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : rossi@laas.fr
Responsable Cnes de l'offre : VINCENTINI Maxime

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