This thesis presents work on the deposition of nanothermite using a piezoelectric inkjet printer, focusing on the effects of printing parameters and sample geometry on burning rate. The ability of the printer to produce consistent droplet size and spacing was shown to have repeatable droplet size and sub-millimeter precision in droplet spacing. The droplet-droplet interaction of the nanothermite ink was examined, and a printing frequency of 10 Hz was shown to produce smooth and consistent geometry in the printed samples. The primary printing parameter varied in this study was the pixel pitch (i.e., the distance between printed droplets). As pixel pitch decreased (i.e., the droplets are printed closer together) in both directions (x- and y-directions), the burning rate increased, and as sample width increased the burning rate increased. A significant number of samples (476) were printed and demonstrated consistent, energetic performance; this indicated favorable high-volume production capabilities. A thermal model was developed based on an energy balance for the printed nanothermite samples. The model accurately predicted the burning rate trends observed in the experimental results. This result indicated that the increase in heat generation in both the thicker (pixel-pitch studies) and wider samples decreased the significance of heat loss to the environment. The statistically significant results presented in this work, along with a descriptive thermal model, increase the fundamental understanding of the effects of printed geometry and droplet spacing on nanothermite energetic performance.

Le principal objectif de la thèse est l’initiation en détonation d’explosifs secondaires (RDX, PETN, HMX) grâce à des nanothermites, qui sont des compositions aluminothermiques renfermant un oxyde ou un sulfate métallique. Des matériaux nanocomposites hybrides détonants (NSTEX), ont été développés en associant une nanothermite avec une nanopoudre d’explosif secondaire, préparée par le procédé SFE. La naissance, la propagation et la modulation de la détonation dans les NSTEX ont été étudiées d’un point de vue expérimental et théorique. La transmission de la détonation produite par les NSTEX à une charge secondaire de pentrite a apporté la preuve que ces nouveaux matériaux énergétiques peuvent être employés comme substances d’amorçage, en remplacement des explosifs primaires à base de plomb. Un procédé permettant de stabiliser les poudres de nanothermites sous forme de mousses solides et très poreuses a également été mis au point. Ces recherches ont une importance capitale pour l’intégration future des nanothermites et des NSTEX dans les systèmes pyrotechniques, parce que la réactivité exceptionnelle de ces nouveaux matériaux énergétique ne se manifeste qu’en milieu poreux, et que d’autre part, ils ne peuvent pas être utilisés sous forme de poudres libres. / The main objective of this thesis is to initiate the detonation of secondary explosives (RDX, PETN, HMX) by using nanothermites, which are aluminothermic mixtures prepared from metallic oxides or sulfates. Detonating hybrid nanocomposites materials (NSTEX) were prepared by mixing a nanothermite with a secondary explosive, which is prepared in nanopowder by SFE process. The formation, the propagation and the modulation of detonation in NSTEX were studied from an experimental and conceptual standpoint. The transmission of NSTEX detonation to a secondary charge of pentaerythritol tetranitrate has confirmed that these new energetic materials can be used as initiating substances in place of lead-based primary explosives. A method to turn the loose powder of nanothermite into porous, solid foam was also developed. This research is of great importance for the future integration of nanothermites and NSTEX in pyrotechnic systems, because these materials are reactive only when they are porous, and on the other hand, they cannot be used at the state of loose powders.

Les nanotechnologies ADN utilisées pour l’auto-assemblage de nanoparticules d’or ou de métaux nobles ont connu un important développement au cours des vingt dernières années, permettant l’organisation de particules agencées en nano-cristaux, grâce à la spécificité biologique inégalable de deux brins complémentaires d’ADN. L’objectif de ces travaux de thèse est d’adapter ces nanotechnologies à l’assemblage de nanoparticules d’Al et de CuO en vue d’élaborer des matériaux composites énergétiques à haute performance, grâce à l’augmentation des surfaces en contact entre réducteur (Al) et oxydant (CuO) par la maîtrise de l’organisation spatiale des nanoparticules. Ainsi, la fonctionnalisation séparée des nanoparticules d’Al et de CuO dispersées en solution colloïdale par des monobrins d’ADN complémentaires assurée ici par l’utilisation du complexe biotineStreptavidine, doit amener, après mélange des deux solutions colloïdales, à l’agrégation des particules par l’hybridation des brins d’ADN greffés en surface. La stratégie de fonctionnalisation choisie ici est générique : la protéine « Streptavidine » est d’abord greffée sur la nanoparticule, puis le brin d’ADN possédant un groupe biotine à une de ses extrémités, se fixe sur la Streptavidine. Au-delà de l’organisation de la matière à l’échelle nanométrique, l’enjeu double de ces travaux tient dans l’établissement d’un protocole de fonctionnalisation fiable et reproductible, propre aux procédés de micro-électronique, pour envisager un report de ces matériaux sur puce, mais également dans le contrôle des performances énergétiques grâce à l’ADN. Nous nous sommes donc appliqués à élaborer ce protocole en caractérisant précisément chaque étape de fonctionnalisation : la stabilisation des colloïdes et la biofonctionnalisation des nanoparticules par la Streptavidine et l’ADN. De plus, l’interaction entre ADN et surfaces oxydées des particules a été étudiée de façon à identifier les interactions non-spécifiques à l’origine d’agrégations non maîtrisées et améliorer en conséquence la qualité de la fonctionnalisation. Nous avons ensuite étudié l’agrégation des particules fonctionalisées en fonction de nombreux paramètres expérimentaux telles que la longueur de la chaîne ADN, la séquence de l’oligonucléotide, ou encore la composition saline de la solution. A cause de l’existence d’interactions non-spécifiques mise en évidence, nous avons optimisés ces paramètres de façon à assurer une agrégation dirigée uniquement par l’hybridation des brins d’ADN. Les performances énergétiques des matériaux synthétisés ont enfin été caractérisées et nous avons démontré la possibilité de contrôler les performances énergétiques des nanobiocomposites synthétisant en maîtrisant leur microstructure grâce à l’ADN. / Over the two last decades, DNA technologies have intensively been studied for the organization of matter at the nanoscale. Thanks to the bio recognition of two complementary DNA single-strands and their hybridization into the famous helicoidally structure, self-assembling of gold nanoparticles into highly ordered micrometer scale crystals has been demonstrated. The aim of this thesis is to explore this new nanotechnology for the self-assembly of Al and CuO nanoparticles driven by DNA hybridization into highly energetic nanocomposites by optimizing contact surfaces between reducer (Al) and oxidizer (CuO). We chose Streptavidin-biotin strategy to functionalize nanoparticles with DNA single strands. More precisely, the functionalization process includes four steps: (i) stabilization of Al and CuO nanoparticles into separate colloidal suspensions; (ii) Streptavidin grafting on Al and CuO nanoparticles; (iii) DNA grafting on Al and CuO Streptavidin-modified nanoparticles thanks to the addition of biotin function at the end of the DNA single strands; (iv) mixing of the two colloidal DNA-functionalized suspensions in order to realize the self-assembly. First, we precisely determined, characterized and optimized each step of the functionalization process. Then, we studied more precisely two key points of the process: we analyzed the interaction of DNA bases with technologically relevant oxide surfaces by studying the grafting of Thymidine by theoretical and experimental approaches; and we studied the influence of the coding sequence used for the DNA strands on the quality of the self-assembly, also by theoretical and experimental analyses. Finally, we optimized environmental conditions to realize the self-assembly of DNAfunctionalized nanoparticles into energetic nanobiocomposites. Morphologies and energetic properties were established as a function of synthesis conditions, and the control of energetic performances of nanobiocomposites as a function of aggregation process was demonstrated.

Les systèmes pyrotechniques sont des éléments clés pour la réussite de la mise en orbite des satellites. Ils permettent de réaliser des fonctions vitales pour la phase de vol d'un lanceur spatial comme l'allumage des moteurs, la séparation d'étages ou la neutralisation. L'actionnement de ces systèmes pyrotechniques nécessite différents effets pyrotechniques comme la génération d'une flamme, d'une grande quantité de gaz et une onde de choc. Ces travaux de thèse interviennent à la suite d'une précédente thèse sur la conception d'un initiateur intelligent et sécurisés permettant de générer une flamme et une grande quantité de gaz mais pas une onde de choc, indispensable dans la réalisation de certaines fonctions pyrotechniques comme la séparation d'étages ou la neutralisation. L'initiateur est piloté par commandes numériques, il dispose d'un stockage local d'énergie, d'une barrière de sécurité mécanique, et d'un PyroMEMS permettant de convertir un signal électrique en un signal pyrotechnique. Cet initiateur est conçu pour remplacer les systèmes pyrotechniques actuellement utilisés sur Ariane 5 car ils sont lourds, encombrants, ils contiennent une grande quantité de substance pyrotechnique augmentant les coûts de fabrication et de stockage, pour finir, les détonateurs et les lignes de transmissions contiennent du plomb dont l'obsolescence est programmé par la réglementation Européenne REACh. L'objectif de ces travaux de thèse est de concevoir et de développer la fonction détonation à partir d'un PyroMEMS contenant moins de 50 µg de nanothermite Al / CuO dans un volume inférieur à 0,83 cm3. Après l'étude des méthodes d'amorçage d'explosif secondaire et de l'état de l'art des détonateurs existant, nous avons conçu une architecture fonctionnant sur la propulsion d'un projectile créant une onde de choc par impact. Le développement de cette fonction détonation a permis d'étudier le comportement de différentes nanothermites (Al / CuO, Al / Bi2O3, Al / MoO3 et Al / PTFE) dans l'optique de propulser le projectile. Un modèle de balistique intérieure est développé avec la combustion de nanothermite Al / Bi2O3 dopé avec du PTFE permettant de conclure qu'il n'est pas possible d'utiliser des nanothermites pour amorcer par impact un explosif secondaire tel que le RDX. Un système de propulsion basé sur la combustion du RDX initié par nanothermite est alors développé avec une étude de l'influence des paramètres dimensionnels. La réalisation d'un démonstrateur final qui permet d'amorcer en détonation du RDX démontre la faisabilité d'un tel dispositif et permet de valider des choix de conception. / Pyrotechnic systems are the keys for satellite launching on orbit. Those systems are used for engines ignition, stage separation and self-destruction. To activate those functions, different kinds of initiators are used to generate a flame, pressure from gas expansion and a shock wave. This work involved following a previous thesis on the design of a smart and safe initiator able to generate a flame and pressure form gas expansion but not a shock wave which is essential in achieving certain functions on launcher as stage separation or neutralization. The initiator is controlled by digital controls, it contain local energy source, a mechanical safety barrier and a PyroMEMS for electro-pyrotechnical conversion. This initiator is design to replace Ariane 5 current pyrotechnic systems because they are heavy, bulky, they contain a large amount of pyrotechnic substance increasing the cost of manufacturing and storage. Also detonators and transmission lines contain lead banned by the European REACh. The goal of these thesis works is to design the detonator function from the flame generated by the PyroMEMS containing 50 µg of Al / CuO nanothermite in a volume less than 0,83 cm3 without primary explosive. After the study of secondary explosive priming methods and the state of art of existing detonators, we designed an architecture running on propelling a projectile creating a shock wave through impact. The development of this detonation function was used to study the behavior of different nanothermites (Al / CuO, Al / Bi2O3, Al / MoO3 and Al / PTFE) with a view to propel the projectile. An interior ballistic model is developed with the combustion nanothermite Al / Bi2O3 doped with PTFE to conclude that it is not possible to use nanothermites to ignite in detonation by impact, by a shock to Detonation Transition) a secondary explosive such as RDX. A propulsion system based on the combustion of RDX initiated by nanothermite is then developed with a study of the influence of dimensional parameters. Achieving a final demonstrator allows to ignite in detonation RDX demonstrates the feasibility of such a device and to validate design choices.

<p>This thesis presents work on two major areas of research. The first area of research involves the use of a dual-nozzle piezoelectric inkjet printing system to print bilayer aluminum bismuth (III) oxide nanothermite samples. The combinatorial printing method allows for separate fuel and oxidizer inks to be printed adjacent to each other at prescribed offset distances. The effect of the bilayer thickness on the burning rate of the samples is investigated using high-speed imaging. Analysis of the burning rate data revealed that there is no statistically significant relationship between these two parameters. This result was used to determine the dominant processes that control the propagation rate in nanothermite systems. It was concluded that convective processes dominate the burning rate rather than diffusive processes. The second area of research involved synthesizing inks suitable for inkjet printing using two promising high nitrogen energetic materials called BTATz and DAATO_3.5. The performance of the developed inks was characterized using four experiments. The thermal stability and exothermic behavior of the inks were determined using DSC and TGA analysis. The results revealed that the inks are more thermally stable than the base materials. The inks were used to print lines that were subsequently used to determine burning rates. DAATO_3.5 samples were determined to have faster burning rates than BTATz. Closed pressure bomb experiments were conducted to determine the gas producing capability of the high nitrogen inks. BTATz samples showed better performance in terms of peak static pressures and pressurization rates. 3D printed microthrusters were developed to test the thrust performance of the inks. Peak thrust, total impulse, and specific impulse values are reported and were determined to be suitable for use with Class 1 micro-spacecraft. Finally, a microthruster array prototype was developed to demonstrate the capability to use additive manufacturing to create high packing density arrays.</p>