L’allègement des structures, et notamment des câbles électriques, est un enjeu majeur pour les industries aéronautique et ferroviaire, grandes consommatrices en ressources énergétiques. L’utilisation de nanotubes de carbone (NTC) comme renforts dans l’élaboration de matériaux composites à matrice aluminium est une solution prometteuse pour obtenir un matériau à propriétés améliorées. L’élaboration par métallurgie liquide en four à induction d’un matériau Al-NTC fait face à des challenges tels que l’intégration et la dispersion des NTC dans l’aluminium liquide. Une démarche par intégration d’échelles a été mise en œuvre avec des fibres et des nanofibres de fibres de carbone (NFC), et a permis d’identifier que la présence d’une interface cuivrée à la surface des renforts et un brassage mécanique sont les points clés pour favoriser le mouillage et la dispersion des NTC. Un matériau Al-NFC à propriétés mécaniques améliorées a été élaboré et la contribution du cuivre apporté par l’interface a pu être quantifiée. La contribution des NFC sur l’amélioration de la résistance élastique par rapport à l’aluminium de référence est de +44% avec des paramètres d’élaboration optimisés.Le comportement des NTC avec et sans interface cuivre dans l’aluminium liquide a été étudié selon des considérations thermodynamiques et cinétiques. Un modèle de croissance de carbures d’aluminium a ainsi pu être établi théoriquement et calibré expérimentalement avec une méthode de corrélation par intégration d’images. L’influence des NTC sur la germination hétérogène de l’aluminium a également été étudiée et une méthode permettant d’obtenir des éprouvettes à structure équiaxe fine a été déterminée. / The lightening of structures, including electrical cables, is a major issue for aviation and rail industries, major consumers of energy resources. The use of carbon nanotubes (CNTs) as reinforcements in the preparation of composite materials with aluminum matrix is a promising solution to achieve improved properties in the material. The preparation by liquid metallurgy of an Al-CNT material with induction furnace processing is facing challenges such as the integration and dispersion of CNTs in liquid aluminum.A scales integration method has been implemented with fiber and carbon fiber nanofibres (NFC). It has allowed to identify that the presence of a copper interface at the surface of reinforcements and mechanical stirring are the key points to promote wetting and dispersion of CNTs. An Al-NFC composite material with improved mechanical properties was developed and the copper contribution provided by the interface could be quantified. NFC contribution to improving the elastic strength relative to the reference aluminum is + 44% with optimized elaboration parameters.The behavior of CNTs with and without copper interface in liquid aluminum has been studied using thermodynamic and kinetic considerations. An analytic model for aluminum carbide growth has been established theoretically and was experimentally calibrated with an integrate-pictures correlated method. The influence of CNTs on the heterogeneous nucleation of aluminum has also been studied and a method to obtain fine equiaxed structure has been determined.

Le remplacement des systèmes de distribution d’énergie actuels dans les avions (pneumatiques, hydrauliques, mécaniques et électriques) par des systèmes 100% électriques est un enjeu majeur dans le cadre du projet de l’avion « plus électrique ». Le processus d’électrification de l’avion conduit à une augmentation de la puissance embarquée à bord des aéronefs, et par conséquent à une augmentation de la masse du réseau filaire. Afin de pallier à cette augmentation, un nouveau matériau composite possédant des propriétés électriques supérieures à celle du cuivre a été développé dans le but d’augmenter la capacité de courant admissible dans le conducteur à section constante. Ce travail de thèse présente le procédé d’élaboration du matériau composite cuivre-nanotubes de carbone développé ainsi que les techniques de caractérisation utilisées et les résultats associés. Différents paramètres tels que la qualité de la dispersion des renforts dans la matrice, le type de nanotubes de carbone utilisés (multi-parois vs mono-paroi), la nature de l’interface créée entre le cuivre et les renforts (mécanique vs chimique) ainsi que les techniques de mise en forme du matériau (pressage uni-axial à chaud, extrusion à chaud) et de post-traitements (recuit, laminage à chaud) ont été étudiés afin d’obtenir des propriétés physiques optimales. Il en résulte une augmentation des propriétés thermiques (+6,8% pour la conductivité thermique), mécaniques (+32% pour la dureté Vickers) et également électriques - pour la première fois observée- (+3,4 % pour la conductivité électrique) et ce en comparaison avec à une matrice de cuivre pur. / The substitution of the current energy chains in aircrafts (pneumatic, hydraulic, mechanical and electrical) by a 100% electrical chain is a major issue in the field of the “more electric” aircraft. The electrification process leads to an increase of the inboard power of aircrafts, and therefore to an increase of the wired network weight. To counterbalance this increase of mass, a new composite material with higher electrical properties that copper should be considered, in order to increase the current density in the conductor at constant cross section. Several parameters have been studied such as the quality of the carbon nanotubes dispersion, the type of CNTs used (single-walled vs. multi walled), the interface between the matrix and the reinforcements (mechanical vs. chemical), the shaping of material (uni-axial hot pressing, hot extrusion process) and the post treatments processes (heat treatment, hot lamination process). An enhancement of the thermal properties (+ 6.8% of thermal conductivity), the mechanical properties (+32% of Vickers hardness) and for the first time an increase of the electrical properties (+3.4 % for the electrical conductivity) have been observed in comparison with pure copper.