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The influence of silane treated amorphous fumed silica fillers on properties of the cured epoxy was examined in the first part of the study. Silica particles were treated with 3- aminopropyldiethoxymethylsilane (APDS) and 3-aminopropyltriethoxysilane (APTS) coupling agents. The filler and coupling agents decreased the mobility of the polymer chains in the vicinity of the filler leading to an increase in the activation energy for the glass transition and an increase in cooperativity. Fumed silica did not significantly affect moisture diffusion properties. Next, a linear dilatometer was used to investigate the effects of cure conditions, mold types, and the presence of filler in the model epoxy. These studies revealed that there was substantial shrinkage in the cured epoxy on heating it through its glass transition region. The shrinkage was determined to be the result of stress in the epoxy generated during cure and could be minimized by curing at lower temperatures, followed by a postcuring heat treatment. Additional free volume in the sample increased the magnitude of the shrinkage by allowing increased stress release through increased network mobility. Decreasing the polymer mobility by adding fillers decreased the observed shrinkage. The influence of the model epoxy crosslink density was examined by varying the content of 1,4-butanediol in the model system. Addition of 1,4-butanediol led to a decrease in the modulus and glass transition temperature, which resulted in a reduction in residual stress and subsequent shrinkage. Moisture uptake increased with the addition of 1,4-butanediol due to an increase in the free volume of the epoxy. However, even with greater moisture uptake, the addition of 1,4-butanediol to the epoxy increased its adhesion to quartz by promoting lower residual stress and increased energy dissipation. These results indicate that bulk diffusion of water is not the controlling factor in adhesive degradation in this system. / Ph. D.

Les décharges contrôlées par barrière diélectrique (DBD) homogènes à pression atmosphérique sont une alternative pour réaliser des couches minces sur de grandes surfaces, en continu, sans système de pompage. La physique de ces décharges tout comme les propriétés des couches minces obtenues sont bien établies en excitation sinusoïdale basse fréquence (< 200 kHz) et radiofréquence (13,56 MHz). L’objet de cette thèse est d’étendre le domaine de fonctionnement de ces décharges dans un mélange Penning Ar/NH3. Pour ce faire, un dispositif original a été mis au point permettant de faire varier la fréquence d'excitation en tension sinusoïdale entre 50 kHz à 18 MHz. La DBD nanopulsée répétitive a également été étudiée. L’objectif est d’identifier de nouveaux modes de fonctionnement de la DBD homogène et d’en maximiser la puissance pour augmenter la vitesse de dépôt de couche mince tout en maintenant une qualité compatible avec les applications. Dans un mélange Ar-NH3, le régime de fonctionnement de la décharge transit de luminescent (GDBD) à Townsend (TDBD) vers 250 kHz puis à RF-DBD à partir de 3 MHz. Les mesures électriques et optiques qui ont été réalisées montrent que la puissance moyenne des décharges homogènes augmente d'un facteur 30 entre les régimes GDBD et RF-DBD (jusqu'à 35 W/cm3) tandis que la tension d'amorçage est réduite d'un facteur 6. Ces observations couplées aux spectres d’émission des décharges indiquent que la densité d’électrons augmente de plusieurs ordres de grandeur alors que leur énergie décroit. Ces résultats s’expliquent par un changement de mécanisme d'ionisation avec un rôle dominant de l'émission d'électron secondaire à la cathode en basse fréquence (GDBD et TDBD) tandis que l'ionisation en volume domine en RF-DBD. Les deux transitions entre les régimes GDBD-TDBD et TDBD-RF-DBD sont étudiées. La première est liée au temps de transit des ions de l'anode vers la cathode qui devient plus long que la demi-période. En conséquence, la chute cathodique ne se forme pas. La deuxième transition est liée au piégeage des ions puis des électrons qui dépend de la tension appliquée, de la valeur de l'espace interélectrode et de la fréquence. Ces régimes de décharges sont comparés au régime nanopulsé répétitif (NPR-DBD). Les conditions conduisant à une décharge homogène ont été trouvées. La puissance maximale en régime homogène est de 17 W/cm3 ce qui est 17 fois plus élevé que pour un régime sinusoïdal à même fréquence. Elle est obtenue pour une fréquence de répétition de 30 kHz avec un pulse de tension de 10 ns. Les dépôts de nitrure de silicium et d’oxyde de silicium obtenus à partir de SiH4 avec des GDBD, RF-DBD et NPR-DBD ont été étudiés. Dans tous les cas, la vitesse de dépôt est définie par la puissance de la décharge. L'augmentation de la puissance de la décharge avec la fréquence permet d'augmenter la vitesse de dépôt de 30 à 90 nm/min. Néanmoins avec l'utilisation de silane à température ambiante, des nanoparticules se forment en RF lorsque la puissance de la décharge est forte. La modulation d'amplitude empêche la formation des poudres. Pour ce faire l'énergie injectée pendant le Ton doit être inférieure à 100 µJ. Comme les précurseurs ne sont plus consommés par la formation de poudres, ils sont disponibles pour la croissance de la couche ce qui double la vitesse de dépôt par rapport au continu pour la même puissance moyenne. L'augmentation de la vitesse de dépôt sans poudre avec la puissance moyenne nécessite une augmentation de la fréquence de modulation (> 1 kHz) ce qui implique un Ton de plus en plus court pour limiter l'énergie injectée.Ce travail a mis en évidence un nouveau régime de décharge, la TDBD, en Ar-NH3. Il a permis de comparer les GDBD, TDBD, RF-DBD et NRP-DBD dans la même configuration de décharge. Pour la première fois des dépôts de couches minces ont été faits par RF-DBD et il a été montré que la modulation du plasma peut augmenter significativement la vitesse de dépôt. / The homogeneous discharge controlled by dielectric barrier at atmospheric pressure and their applications are a promising field of activity because of their advantages in contrast with the low pressure processes, especially for the on line treatment of large surface without pumping system. The physics of these discharges as the thin film properties obtained are well established with low frequency sinusoidal (<200 kHz) and radiofrequency excitation (13.56MHz). This is what is explored in this thesis aimed to find and explore new modes of homogeneous DBD and maximizing the power to optimize the deposition rate while maintaining quality thin layers. To achieve this goal, an original device has been developed varying the excitation frequency from 100 kHz to 18 MHz. The frequency increase on this range have many consequences. In an Ar-NH3 mixture, the discharge regime becomes successively a glow (GDBD) then Townsend (TDBD) around 250 kHz then RF-DBD from 3 MHz. The electrical and optical measurements that have been done show that the average power of the homogeneous discharges increases by a factor of 30 between GDBD regime and RF-DBD regime (up to 35 W/cm3) while the breakdown voltage is reduced by a factor 6. These observations coupled to the discharge emission spectra indicate that the electron density increases by several orders of magnitude while their energy decreases. These results are due to a change of the ionization mechanism with a dominant role of the secondary electron emission at the cathode in low frequency regime (GDBD and TDBD) while the volume ionization is dominate in RF-DBD. Both transitions between GDBD-TDBD regimes and TDBD-RF-DBD are studied. The first is related to the ion transit from the anode to the cathode which becomes longer than the half-period. In consequence, the cathode fall is not formed. The second transition is related to ions and electrons trapping which depends on the applied voltage, the value of the inter-electrode space and frequency.These discharges regime are compared to Nanopulsed repetitively discharge (NPR-DBD). The conditions leading to a homogeneous discharge are found. In homogeneous regime the maximum of the discharge power is 17 W/cm3 which is 17 times higher than for a low sinusoidal voltage for the same frequency. It is obtained for a repetition frequency of 30 kHz with a 10 ns voltage pulse. Hydrogenated silica and silicon nitride thin film obtained from SiH4 with GDBD, RF-DBD and NPR-DBD were studied. In all cases, the deposition rate is defined by the discharge power. The increase of the discharge power with the frequency increases the deposition rate from 30 nm/min to 90 nm/min. However with the use of silane at room temperature, nanoparticles are formed in RF regime when the discharge power is high. The amplitude modulation allows to prevent the formation of powders. AS far as the energy injected during Ton is less than 100 μJ. As the precursors are not consumed by the formation of powders, they are available for the growth of the layer thereby doubling the deposition rate compared to the continuous process for the same average power. Increasing the growth rate without powders with the average power requires an increase in the modulation frequency (> 1 kHz) i.e. a short Ton to limit the injected energy. Thus this work has highlighted a new discharge regime, the TDBD in Ar-NH3 and compared the GDBD, TDBD, RF-DBD and NRP-DBD discharge in the same configuration. For the first time, RF-DBD coating have been made and it has been shown that modulation of plasma, although it decreases the discharge power, can significantly increase the deposition rate.

L’usage des élastomères en tant que matériau ne peut se concevoir sans l’utilisation de certaines charges dites renforçantes. Bien qu’une variété plutôt large de minéraux en poudre puisse être associée aux élastomères, deux charges sont très majoritairement utilisées de par leur haute capacité renforçante, les noirs de carbone et les silices actives et hautement structurées. L’utilisation de la silice n’a été envisagée, à partir des années 1980, que grâce à un contrôle fin de sa chimie de surface, de ses silanols hydrophiles et de son traitement par silanes spécifiquement dessinés pour satisfaire une application précise. La preuve expérimentale quantifiant les interactions charge – polymère est grandement souhaitée. C’est précisément le premier but que cette thèse tente d’approcher. Pour tenter d’atteindre cet objectif, nous proposons d’étudier dans ce travail l’évaluation de l’adsorption d'un polymère, une série de HNBR, sur des charges, noir de carbone et silice traitée ou non par des silanes spécifiquement désignés, d’un point de vue énergétique et moléculaire au moyen de la microcalorimétrie à écoulement (FMC). L'application de cet outil, relativement connu dans le cadre des interactions petite molécule – charge est plutôt original dans l’étude des couples polymère – charge. Notre deuxième but est donc, et grâce à une connaissance fine de la chimie des surface d'une silice, de ses traitements par des silanes, et de l'adsorption du polymère sur sa surface, d'explorer la corrélation entre le traitement et les propriétés macroscopiques dans le but d'établir une relation de cause à effet. / Most actual uses of elastomers are not even conceivable without the assistance of reinforcing filler. In this field, "silane-technology" brought into evidence the necessity of monitoring the competition that routinely rises between two determinant factors: polymer-filler interactions and filler-filler interactions. As a result, an important database founded essentially on the characterization of the surfaces chemistry and surface energy of the two antagonist elements had to be gathered. However, the determination of the consequence of such characters on the factual polymer-filler interactions remains rudimentary, such as bound rubber gravimetric measurements. Experimental prove which is able to quantify such interactions is badly needed. This is, actually, the first objective that we tried to achieve. In order to do so, we propose in this work to study, from the energy point of view using flow micro calorimeter (FMC), the evolution of the adsorption of a series of HNBR on the surface of carbon black (CB) and silicas unmodified and modified by selected silanes. If the goal of the silane technology is to design coupling agents that are able to satisfy a specific application, especially those related to the energy dissipation, the mechanism through which such a process is achieved is not fully understood. Thus, and based on a fine knowledge of surface chemistry, surface treatments and polymer adsorption, our second objective is to explore the cause-to-effect links that ought to exist between filler surface treatments and blends macroscopic properties.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’un combustible nucléaire faiblement enrichi pour les réacteurs de recherche, constitué de particules d’uranium-molybdène mélangées à une matrice d’aluminium. Dans certaines conditions sous irradiations, les particules d’U(Mo) interagissent avec la matrice d’aluminium, provoquant un gonflement rédhibitoire de la plaque combustible. Pour inhiber ce phénomène, une solution consiste à déposer, à la surface des particules d’U(Mo), une fine couche de silicium, pour créer un effet barrière. Cette thèse a concerné l’étude du procédé de dépôt chimique à partir d’une phase vapeur (CVD) en lit fluidisé à partir de silane pour déposer le silicium sur la poudre d’U(Mo), qui a une densité exceptionnelle de 17,5. Pour atteindre cet objectif, deux axes d’études ont été traités au cours de la thèse : l’étude et l’optimisation de la mise en fluidisation d’une poudre aussi dense, puis celles du procédé de dépôt de silicium. Pour le premier axe, une campagne d’essais a été réalisée sur poudre simulante de tungstène dans différentes colonnes de fluidisation en verre et en acier avec des diamètres internes compris entre 2 et 5 cm, à température ambiante et à haute température (650°C), proche de celle des dépôts. Cette campagne a permis d’identifier des phénomènes d’effets de bord au sein du lit fluidisé, pouvant conduire à des dépôts hétérogènes ou à des prises en masse. Des dimensions de colonnes de fluidisation et des conditions opératoires permettant une fluidisation satisfaisante de la poudre ont pu être identifiées, ouvrant la voie à l’étude du dépôt de silicium. Plusieurs campagnes d’essais de dépôt sur poudre simulante, puis sur poudre U(Mo), ont ensuite été menées dans le cadre du second axe d’étude. L’influence de la température du lit, de la fraction molaire d’entrée en silane dilué dans l’argon, et du débit total de fluidisation, a été étudiée pour différents diamètres de réacteur et pour diverses masses de poudre. Des analyses de caractérisation morphologique et structurale (MEB, DRX...) ont révélé un dépôt de silicium uniforme sur toute la poudre et autour de chaque grain, majoritairement cristallisé et dont l’épaisseur atteint les objectifs visés. Des recommandations précises ont ainsi pu être émises pour optimiser les caractéristiques du dépôt de silicium sur la poudre combustible U(Mo) par le procédé de CVD en lit fluidisé. / This thesis is part of the development of low-enriched nuclear fuel, for the Materials Test Reactors (MTRs), constituted of uranium-molybdenum particles mixed with an aluminum matrix. Under certain conditions under irradiations, the U(Mo) particles interact with the aluminum matrix, causing unacceptable swelling of the fuel plate. To inhibit this phenomenon, one solution consists in depositing on the surface of the U(Mo) particles, a thin silicon layer to create a barrier effect. This thesis has concerned the study of the fluidized bed chemical vapor deposition (CVD) process to deposit silicon from silane, on the U(Mo) powder, which has an exceptional density of 17,500 kg/m3. To achieve this goal, two axes were treated during the thesis: the study and the optimization of the fluidization of a so dense powder, and then those of the silicon deposition process. For the first axis, a series of tests was performed on a surrogate tungsten powder in different columns made of glass and made of steel with internal diameters ranging from 2 to 5 cm, at room temperature and at high temperature (650°C) close to that of the deposits. These experiments helped to identify wall effects phenomena within the fluidized bed, which can lead to heterogeneous deposits or particles agglomeration. Some dimensions of the fluidization columns and operating conditions allowing a satisfactory fluidization of the powder were identified, paving the way for the study of silicon deposition. Several campaigns of deposition experiments on the surrogate powder and then on the U(Mo) powder were carried out in the second axis of the study. The influence of the bed temperature, the inlet molar fraction of silane diluted in argon, and the total gas flow of fluidization, was examined for different diameters of reactor and for various masses of powder. Morphological and structural characterization analyses (SEM, XRD…) revealed a uniform silicon deposition on all the powder and around each particle, mostly crystallized and whose thickness reached the objectives. Specific recommendations were proposed to optimize the characteristics of the silicon deposit on the U(Mo) powder by the fluidized bed CVD process.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Synthese und Charakterisierung der Diorganosilane SiX2R2 [X = H, Cl; R = Cp3M (C5Me3H2), Cp4M (C5Me4H)] sowie der Diorganogermane GeX2R2 [X = H, Cl; R = Cp3M (C5Me3H2), Cp4M (C5Me4H), Cp* (C5Me5)]. Es wird die Reaktion der Lithiumsalze SiCl2Cp4MLi2 und SiCl2Cp3MLi2, synthetisiert aus den Diorganosilanen SiCl2Cp3M2 und SiCl2Cp4M2, mit verschiedenen Elementchloriden (PCl3, GeCl4, Si2Cl6 SiHCl3, BCl3) sowie Pyridin vorgestellt. Die entstandenen Produkte und heterozyklischen Verbindungen sind hinsichtlich ihrer Struktur im Festkörper mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse und in Lösung mittels NMR-Spektroskopie untersucht worden. Darüber hinaus wird die Abscheidung von dünnen Germaniumschichten über einen apparativ vereinfachten MOCVD-Prozess bei Atmosphärendruck unter Verwendung der Diorganogermane GeH2Cp4M2 und GeH2Cp*2 beschrieben. Als Substrate wurden Siliciumwafer, Glas und flexible Kaptonfolien verwendet. Die abgeschiedenen Germaniumschichten wurden mittels RAMAN-Spektroskopie, Vis/NIR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Die abgeschiedenen amorphen Germaniumschichten wiesen eine kontrollierbare Dicke zwischen 30 – 780 nm auf. Die Homogenität und Rauheit der abgeschiedenen Schichten wurde mittels rasterkraftmikroskopischen Messungen bestimmt. Die Abscheideraten und damit die Schichtdicken konnten mithilfe der Temperatur und der Zeit variiert werden.

Ce travail de thèse vise à concevoir de nouvelles membranes performantes pour la séparation de gaz (CO2) dans le procédé de post-combustion. La stratégie proposée repose sur la préparation de membranes hybrides organiques/inorganiques, combinant des supports poreux de dioxyde de titane (TiO2) intégrés dans une couche dense de polymère à base de poly-oxyde d'éthylène. L'un des points important de cette étude est l'ancrage de la phase organique sur le support inorganique. Deux agents de couplage : le propyl phosphonique acide 2-bromo-2-méthyl propanoate et le 3--propylamino triéthoxy silan ont été sélectionnés et greffés sur trois surface de TiO2 différentes : des nanoparticules, des surfaces denses et des surfaces poreuses. Pour chacune des deux molécules d'ancrage les meilleurs résultats ont été obtenus avec les nanoparticules. Les nanoparticules de TiO2 ainsi fonctionnalisées, ont dans une seconde étape, servi de semences pour l'élaboration de particules coeur-écorce. Deux voies de polymérisation ont été explorées avec succès : la si-ATRP et la si-ROMP. Dans le premier cas des greffons de poly-poly-éthylène glycol méthyl éther méthacrylate ont été introduits sur les nanoparticules de TiO2. Pour la si-ROMP les greffons incorporés sont à base de polynorbonène. Les résultats obtenus sur les nanoparticules de TiO2 ont été exploités afin de créer des couches polymères sur des supports poreux céramiques tubulaires commerciaux. Deux modes de conception ont été développés : la voie dite "coating onto" et celle dite "Grafting from". Les membranes composites obtenues par ces deux voies ont été testées en perméabilité des gaz afin de déterminer la qualité des couches polymères. Des essais préliminaires de séparation des gaz ont été également effectués. / This thesis work aims towards designing hybrid membranes for CO2 separation in the post-combustion process. The different methods of existing technologies are compared ans assessed for their merit, and the decision of using inorganic titanium dioxide supports integrated with a grown polymeric/PEG layer is made. First, the structure of the interfacing group is determined and narrowed down to phosphonic-based anchoring groups. The modification of various titanium oxide surfaces (i.e. particle, flat and porous) is performed with each group, and particles were found to yield the highest surface modification. Secondly, the functionalized particles of titania were then studied for their potential with si-ATRP and si-ROMP. in the case of phosphonic acid functionalized titania, the particles yielded a bromine terminus that could be used for si-ATPR. In the case of the silane grafted titania particles, further fonctionalization was required to ultimately yield a norbornenyl group that can be used for Si-ROMP. Both teechniques were shown to work, and were thus applied to longer ceramic tubes. Finally the development of two pathways ("Coating onto" and "Grafting from") were assessed for their ability to modify the tubular ceramic support and preliminary gas separation tests were performed.

Damages of metallic aircraft structures that occur during manufacturing, assembly and in service require local repair. Especially with current service-life extensions of ageing aircraft fleets, the importance of such repair methods is increasing. Typically, the repair of smaller damages on aluminium fuselage or wing skins is done by riveting a patch onto the flawed structure. However, the use of rivets reduces the strength of the structure and promotes fatigue. Joining the patch by adhesive bonding would not only offer more homogenous load distribution and weight savings, but even an increase of structural integrity. Metal adhesive bonding is commonly used in aeronautics, but requires elaborated surface treatments of the adherends, employing hazardous chemicals like chromates, due to the high durability demands. Furthermore, these treatments are usually tank processes that are not suitable for local repairs. Hence, there is a strong need for locally applicable surface preparation methods that allow safe and reliable adhesive bonding of primary aircraft structures. The aim of this thesis is to assess the – still emerging – method of atmospheric pressure plasma deposition of silicon (Si) containing compounds concerning its suitability as surface preparation for adhesive bonding of aluminium aerostructures. Atmospheric plasma deposition is not yet used in the aircraft industry, and the knowledge on functionality of this technology concerning bonding of aluminium parts is limited. Moreover, the durability requirements of the aircraft industry greatly exceed the standards in other industries. Hence, special attention is paid to a thorough analysis of the key characteristics of the deposited coupling films and their effectiveness in terms of adhesion promotion as well as joint durability under particularly hostile conditions. In order to do so, the altering mechanisms of the treated joints and the behaviour of the coupling films during accelerated ageing will be investigated in detail for the first time in this thesis. Furthermore, the influence of the aluminium surface pre-treatment (i.e. topography and oxide properties of the substrate) on the overall joint performance after coupling film deposition is thoroughly examined. Based on these findings, the surface preparation is optimised, and a process is developed to achieve maximal joint performance. As alternative local surface treatments prior to adhesive bonding, solution derived deposition of silane and sol-gel films have already been widely investigated and can be considered as reference, even though these techniques are rarely used in civil aeronautics. The knowledge on their effectiveness and capabilities in corrosive atmosphere is still very limited. Therefore, all analyses of degradation mechanisms are conducted for both plasma deposition and wet-chemical reference treatments to reveal the differences and communalities of the two Si-based coupling films. Physical and chemical analysis of the films, the oxides and the interfaces reveal differing, but interdependent failure mechanisms that are inhibited differently by the individual coupling films. Using the optimum deposition parameters, plasma films of only several nanometres in thickness significantly enlarge the corrosion resistance of bonded joints, reaching almost the level of anodising treatments with several micrometres thick oxides and strongly outperforming solution derived silane treatments. However, plasma film performance is found to be largely dependent on the precursor selection. With plasma deposition of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, which has not been reported before, highest joint stability is achieved. Moreover, it is discovered that the properties of plasma and solution derived silane based films are complementary. It is shown that an optimised combined plasma and wet-chemical treatment process provides even superior resistance to bondline corrosion than state-of-the-art anodising techniques.