Ce travail de thèse porte sur la compréhension et la modélisation de la combustion de mélange de nanoparticules composée d'aluminium et d'oxydes métallique. Dans ce cadre, nous avons développé un modèle cinétique, reposant sur un ensemble de phénomènes élémentaires : diffusion, réactions, condensations, évaporations et décompositions. Nous avons montré que ce modèle permet de prédire l'évolution de la pression généré en fonction de nombreux paramètres : la compaction, la proportion d'aluminium et d'oxyde métallique et la taille des particules du mélange. Enfin, ce modèle a été couplé à une description des transferts thermiques lors de la combustion, afin d'étudier l'effet des pertes thermiques dans une chambre de combustion. / This thesis work deals with understanding and modeling the combustion of a mixture of nanoparticle made of aluminum and metal oxide. In this context, we developed a kinetic model, based on multiple elementary phenomena : diffusion, reaction, condensation, vaporization and decomposition. We showed that this model allows to predict the evolution of the pressure generated during the combustion as a function of multiple parameters : packing, proportion of aluminum and metal oxide, and particle sizes. Finally, this model have been coupled with a description of the thermal transport, in order to study the effect of heat losses in a combustion chamber.

In this work we investigate the reaction propagation velocity of aluminum and copper oxide Metastable Intermolecular Composites (MIC's). All samples were deposited in a magnetron sputtering system using 2 aluminum targets and 2 copper targets. The copper is sputtered in an oxygen rich environment in order to obtain copper oxide rich films. Three different layer structures are used for various measurements that are composed of alternating 20 layer pairs, 30 layer pairs, and 40 layer pairs. All layer pairs maintain a constant total thickness of 3.2 microns. Each layer structure can be prepared independent of a substrate and is measured with the use of photodiodes or with direct device contact. Aluminum and copper oxide structures have potential use as propellants and additives to explosives, thus, accurate propagation velocity or burn rate measurements are important. The developed measurement system for burn rate measurements of Al/CuO MIC's can achieve and accuracy of 0.1 m/s. In order to determine the velocity limiting characteristics, MIC's on glass and silicon substrates were measured as well as free standing Al/CuO MIC's. Separate burn rate measurement devices were created in order to handle the variety of substrates. In addition, the ignition energy of the Al/CuO MIC was studied to further characterize the samples. This was done using both voltage and current probes of a reacting sample. Rutherford backscattering spectroscopy (RBS) was used for sample composition calibration. The pre- and post-reaction Al/CuO MIC's were also characterized by transmission electron microscopy (TEM).

Ce travail concerne le développement de procédés d'intégration de couches énergétiques de type thermite (constituées d'un oxyde et d'un métal, généralement Al) dans les microsystèmes pour la réalisation de microsources de température pour des applications militaires et civiles (aérospatiale, automobile). Après avoir sélectionné le matériau à formuler, la thermite Al/CuO, notre travail s'est organisé selon deux axes : (1) élaborer et optimiser des technologies de dépôt d'Al/CuO qui permettent de maîtriser autant que possible les caractéristiques stSchiométriques et géométriques à l'échelle nanométrique du matériau déposé pour en contrôler la cinétique et en optimiser la chaleur de décomposition. (2) intégrer la nanothermite dans un micro-initiateur pour explorer les applications de micro-amorçage. Deux procédés de dépôt simples et reproductibles ont été développés: un procédé fondé sur l'oxydation thermique du Cu qui permet la formation de nanofils pour des surfaces inférieures à 1 mm2 et un procédé fondé sur la pulvérisation cathodique réactive qui permet l'obtention d'empilements successifs de nanofeuillets d'Al/CuO d'épaisseur réglable. L'intégration sur plateforme chauffante micro-usinée de ce matériau permet la libération contrôlée de chaleur (1,2 kJ/g) pour une température de réaction de 740 K. La nanothermite, en tant qu'initiateur, permet la mise à feu de propergol au contact et jusqu'à une distance de 270 µm. Nous discutons ensuite des perspectives ouvertes pour réaliser, au moyen de procédés collectifs, des micro-initiateurs pyrotechniques et de l'importance d'outils de modélisation multi-échelle pour aider à la compréhension de la réactivité du matériau.

Les matériaux énergétiques sont une classe de matériaux capables de libérer de l'énergie dans les conditions d'utilisations. Notre laboratoire a été le premier dans les années 1995 à proposer l'intégration de matériaux énergétiques dans des micro dispositifs ce qui a engagé un important processus d'innovations dans le choix des matériaux nécessitant une compatibilité avec les technologies microélectroniques et dans leur mise en œuvre pour des usages embarqués divers : micro allumeurs, airbags, actionnements pneumatiques ou fluidiques, conversion thermo électriques, ... Cette thèse visent la mise au point de nouvelles générations de matériaux susceptibles d'être intégrés sur des micro dispositifs pour la réalisation de systèmes d'allumages miniaturisés. Mais le choix d'un matériau intégrable est un problème complexe, d'une part parce qu'il doit pouvoir etre déposé dans le processus de fabrication du micro dispositif support et d'autre part parce qu'il doit permettre d'actionner dans de bonnes conditions d'autres matériaux énergétiques plus traditionnels. Parmi les matériaux énergétiques émergents, les nanothermites engendrent un grand intérêt grâce à leur forte capacité énergétique et leurs propriétés réactives " à la carte " et aussi, en ce qui nous concerne, car elles mettent en œuvre des composés métaux et oxydes métalliques compatibles avec les composants microélectroniques et les technologies MEMS. C'est dans ce contexte-là que notre équipe de recherche a proposé l'élaboration et l'intégration de multicouches Al/CuO par PVD. L'empilement par PVD de nano-couches alternées d'aluminium et d'oxyde de cuivre offre de nombreux avantages comparés à l'élaboration de nano-poudres. Chaque nano-couche déposée peut être contrôlée précisément en épaisseur (de quelques nm jusqu'à plusieurs centaines de nm). Et, le nombre de couches et la stœchiométrie oxydant/réducteur peuvent être modifiés pour adapter la réactivité du matériau en fonction du besoin. Mon travail de thèse a permis l'étude expérimentalement des nano-thermites de type multicouches Al/CuO déposées par pulvérisation cathodique. En particulier, sur des dépôts PVD de multicouches Al/CuO d'épaisseurs comprise entre 25nm et 500nm, nous avons caractérisé finement la morphologie de couches Al et CuO et de leur interface. Nous avons contribué à évaluer expérimentalement l'influence de la stœchiométrie et de l'épaisseur des couches sur les caractéristiques de réaction à savoir la vitesse de combustion et l'énergie de décomposition appelée Entalphie. Enfin, nous avons étudié le rôle des interfaces dans le processus de réaction. Pour ce faire différentes thermites multicouches Al/CuO avec différentes stœchiométries et épaisseurs ont été déposées. Les analyses structurelles, morphologiques et chimiques ont été réalisées au LAAS et au CIRIMAT par différentes techniques d'analyses telles que XRD, HR-TEM, XPS et STEM-EDX. Les chaleurs de réaction et la vitesse de combustion ont été examinées par DSC et par camera rapide. Enfin nous avons intégré des multicouches Al/CuO dans un microsystème d'allumage sécurisé pour une application de propulsion solide dans le cadre d'un contrat industriel avec ROXEL (Contrat PEA APTE).