A área de pesquisa de materiais nanoestruturados tem recebido destacada atenção nos últimos anos por parte da comunidade científica, ressaltando-se os nanocompósitos à base de polímero e argila. Nesta Dissertação foram sintetizados nanocompósitos à base de poliuretano (NWPUs) com argilas do tipo montmorilonita (MMT), hidrofóbicas (organofílicas) e hidrofílica. Os monômeros empregados na síntese foram poli(glicol propilênico) (PPG); polibutadieno líquido hidroxilado (HTPB); ácido dimetilolpropiônico (DMPA), diisocianato de isoforona (IPDI) e hidrazina (HYD), como extensor de cadeia. Nas formulações, foram variadas as proporções de HTPB e o teor das argilas. As argilas organofílica Cloisite 30B e hidrofílica Cloisite Na+ foram incorporadas em 1, 3 e 5 %, enquanto que a organofílica Cloisite 15A foi incorporada no teor de 1%. As dispersões foram caracterizadas quanto ao teor de sólidos totais, tamanho médio de partículas e viscosidade. Os filmes vazados a partir das dispersões foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), difração de raios-x (XDR), microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia de força atômica (AFM). A resistência térmica e a transição vítrea dos materiais foram determinadas por termogravimetria (TG) e calorimetria diferencial de varredura (DSC), respectivamente. O teor de absorção de água e o comportamento mecânico dos filmes foram avaliados. Foi verificada, por XRD, a ausência do pico de cristalinidade, característico das argilas puras e não-deslaminadas. As micrografias obtidas por SEM confirmam uma dispersão homogênea das argilas na matriz poliuretânica. Os filmes à base de nanocompósitos (NWPUs) apresentaram propriedades mecânicas superiores às apresentadas por aqueles obtidos a partir das dispersões sem a presença de argila (WPUs). A adesão dos revestimentos formados, pela aplicação das dispersões em diversos substratos, também foi verificada visualmente. Os resultados das análises mostraram que houve a formação de nanocompósitos à base de água, formados tanto a partir da argila hidrofílica quanto das organofílicas

O uso de nanotubos de carbono (NTC) em compósitos Epóxi (EP)/Fibra de Vidro (FV), produzindo compósitos tri-componente, tem sido recentemente pesquisado, com alguns resultados interessantes relacionados a propriedades mecânicas e eletromagnéticas. Para que haja uma promoção mais significativa nas propriedades mecânicas, deve-se introduzir um teor de NTC maior do que 1% em massa, o que gera graves problemas de dispersão. O grande desafio de trabalhar com um elevado de NTC, é que a viscosidade da resina é significativamente aumentada em relação à resina pura, dificultando a dispersão e o processamento dos compósitos. Foi desenvolvida neste trabalho uma metodologia para dispersão de NTC em tecidos de FV, buscando aumentar os teores de NTC em compósitos tri-componente EP/NTC/FV e produzidos por moldagem por transferência de resina (RTM). Os compósitos tri-componente foram caracterizados por meio de ensaios mecânicos como tração, flexão, impacto Izod, cisalhamento interlaminar (ILSS), dureza Barcol e da análise dinâmico-mecânica (DMA); além da inspeção por ultrassom e avaliação da atenuação da radiação eletromagnética. Os compósitos apresentaram um aumento aproximado de 10% nas propriedades mecânicas, porém mostrando um maior potencial com relação à atenuação eletromagnética, onde alcançaram valores de absorção de ondas de até 95%. / The use of carbon nanotubes (CNT) in Epoxy (EP)/Glass Fiber (GF) composites, producing tri-component composites, has been widely researched, with some interesting results related to mechanical and electromagnetic properties. When the goal is a significant improvement in mechanical properties, CNT content greater than 1%wt. may be necessary, which yields serious dispersion problems. The great challenge when processing a high CNT content resin is that its viscosity is significantly increased in comparison with the neat resin, preventing adequate dispersion and processing of the composite. In this work, a methodology for the dispersion of CNT in GF fabrics was developed aiming to increase the CNT content in EP/CNT/GF tri-component composites produced by resin transfer molding (RTM). The composites were characterized using tensile, flexural, Izod impact, interlaminar shear strength (ILSS), Barcol hardness testing and dynamic mechanical analysis (DMA); ultrasound inspection and attenuation of electromagnetic radiation evaluation were also carried out. The tri-component composites showed an overall maximum increase of only 10% in the mechanical properties, but displayed great potential use for attenuation of electromagnetic radiation, reaching 95% wave absorption.

[pt] O nanocompósito estudado com função de revestimento anticorrosivo é constituído de Epóxi Novolac Tipo II aditivado com grafeno, sintetizado através do processo de esfoliação/redução do grafite empregando microondas. O sistema epóxi utilizado é composto pelos componentes: A, baseado em bisfenol F e cargas inorgânicas, e o B, endurecedor baseado em um polímero aminado. A síntese do grafeno e sua aditivação no componente A, foram realizadas pelo CTNano - UFMG. O principal objetivo desta dissertação é o estudo da aplicabilidade do nanocompósito, onde o grafeno é utilizado como aditivo complementar em matriz polimérica (epóxi), como alternativa de maximizar a proteção anticorrosiva. Foram estudadas diferentes aditivações: CR (sem aditivo), e aditivadas (0.1 por cento e 0.5 por cento). O substrato utilizado foi o aço carbono 1020, cuja superfície foi preparada com jateamento abrasivo e em seguida revestida com uma pistola de ar comprimido e com solvente para auxiliar o processo. Para avaliar a eficiência destes revestimentos foram realizados ensaios de corrosão (Célula Atlas e Ensaios Cíclicos), teste de aderência (Pull Off), medida de espessura (MEV) e rugosidade do substrato através do rugosímetro analógico e microscopia óptica. Para a dispersão do grafeno foi adicionado diglidil éter de bisfenol A (DGEBA) como um diluente. Os resultados obtidos indicaram que o grafeno apresentava boa dispersão na matriz polimérica. Concentrações de grafeno acima de 0,1 por cento em massa levam à falha da proteção anticorrosiva. Este comportamento pode estar relacionado à presença de solvente residual ou DGEBA não reagido no sistema com grafeno, além de possível atuação de grafeno agregado como ponto de tensão. O mecanismo de adesão revestimento/substrato permaneceu inalterado para todas as aditivações estudadas. / [en] The studied nanocomposite with anticorrosive coating function is composed of Novolac Type II epoxy added with graphene, synthesized through the process of exfoliation / reduction of graphite using microwaves. The epoxy system used consists of the following components: A, based on bisphenol F and inorganic fillers, and B, hardener based on an amino polymer. The synthesis of graphene and its additivation in component A were performed by CTNano - UFMG. The main objective of this dissertation is the study of the applicability of the nanocomposite, where graphene is used as complementary additive in polymer matrix (epoxy), as an alternative to maximize anticorrosive protection. Different additives were studied: CR (without additive), and additives (0.1 percent and 0.5 percent). The substrate used was carbon steel 1020, the surface of which was prepared with abrasive blasting and then coated with a compressed air and solvent gun to aid the process. To evaluate the efficiency of these coatings were performed corrosion tests (Atlas Cell and Cyclic Tests), Pull Off test, thickness measurement (MEV) and roughness of the substrate through the analogous rugosimeter and optical microscopy. For the dispersion of graphene, diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) was added as a diluent. The results indicated that graphene showed good dispersion in the polymer matrix. Concentrations of graphene above 0.1 percent by mass lead to failure of the anticorrosive protection. This behavior may be related to the presence of residual solvent or unreacted DGEBA in the graphene system, in addition to the possibility of aggregated graphene as voltage point. The coating / substrate adhesion mechanism remained unchanged for all additives studied.

Nanocompósitos de Al2O3/ZrO2 apresentam-se promissores para serem utilizados como biomateriais, por promoverem melhorias significativas quanto à homogeneidade microestrutural, propriedades mecânicas e serem biologicamente inerte. Dentre as técnicas capazes de tornar seu desempenho biológico mais adequado, o recobrimento biomimético tem se destacado, sendo que sua eficiência pode ser melhorada a partir de prévios tratamentos superficiais. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho foi estudar a adesão e a uniformidade do revestimento de fosfato de cálcio em nanocompósitos de Al2O3 contendo 5% em volume de inclusões nanométricas de ZrO2. Para isso, nanocompósitos foram conformados, sinterizados, tratados quimicamente com soluções de H3PO4, HNO3 e NaOH e por plasma em diferentes condições de processo: 20%N2-80%H2, 40%N2-60%H2, 40%N2-40%H2-20%O2, 30%N2-50%H2-20%O2, 100%N2 e 100%O2 e recobertos biomimeticamente com soluções que simulam o plasma sanguíneo (SBF 1,5x e 5,0x) nos tempos de 7, 14, 21 e 28 dias de incubação. A partir dos resultados obtidos pode-se observar que os prévios tratamentos superficiais promoveram variações na rugosidade média superficial (Ra) entre 0,045 e 0,079 µm. Além disso, independentemente do tratamento superficial, observou-se a formação de apenas três fases de fosfatos de cálcio: hidroxiapatita (HA), α-fosfato tricálcico (α-TCP) e β-fosfato tricálcico (β-TCP). Observou-se ainda, que o percentual das fases formadas variou de acordo com o tratamento, sugerindo a possibilidade de controlar a razão TCP:HA. Nos resultados obtidos pelo teste de riscamento observou-se que tratamentos realizados com plasma, H3PO4 e HNO3 aumentaram a carga crítica (Lc) entre 2,0 e 2,9N, melhorando assim a aderência da camada de fosfato de cálcio formada. Os testes de proliferação celular utilizando linhagem de células de hamster chinês (CHO) demonstraram que os nanocompósitos tratados com H3PO4, HNO3 e NaOH e recobertos biomimeticamente com SBF 5,0x são biocompatíveis. / Nanocomposite Al2O3/ZrO2 have to be promising to be used as biomaterials for promoting significant improvements in the microstructural homogeneity, mechanical properties and be biologically inert. Among the techniques to make it more useful biological performance, the biomimetic coating has been highlighted, and its efficiency can be improved from previous surface treatments. In this sense, the objective of this work was to study the adhesion and uniformity of calcium phosphate nanocomposite coating of Al2O3 containing 5% by volume of nanometric inclusions of ZrO2. For this nanocomposites were shaped, sintered, chemically treated with solutions of H3PO4, HNO3 and NaOH, and plasma in different process conditions: 20%N2-80%H2, 40%N2-60%H2, 40%N2-40%H2-20%O2, 30%N2-50%H2-20% O2, 100% N2 and 100%O2 and covered with solutions biomimetic that simulate the blood plasma (SBF 1.5x and 5.0x) in the times of 7, 14, 21 and 28 days of incubation. From the results obtained it can be seen that prior surface treatments promoted variations in average surface roughness (Ra) from 0.045 to 0.079 micrometers. Furthermore, regardless of surface treatment, formation of the observed only three-phase calcium phosphate: hydroxyapatite (HA), tricalcium α-phosphate (α-TCP) and β-tricalcium phosphate (β-TCP). It was also observed that the percentage of phases formed varied according to the treatment, suggesting the possibility of controlling the ratio TCP:HA. In the results obtained by scratching test was observed that plasma treatments performed, HNO3 and H3PO4 increased the critical load (Lc) between 2.0 and 2,9N, thereby improving the adhesion of the calcium phosphate layer is formed. Cell proliferation assays The strain using chinese hamster cells (CHO) have demonstrated that nanocomposites treated with H3PO4, HNO3 and NaOH, and coated with solution biomimetic SBF 5.0x are biocompatible.

L'objectif de ce travail est d'ajuster la position spectrale de la résonance plasmon de surface de nanoparticules de métaux nobles dispersées dans une matrice diélectrique en contrôlant leur morphologie et leur organisation spatiale. Nous montrons que lorsque la croissance est réalisée sur des substrats plans, il est possible de jouer sur la nature de la matrice pour modifier le rapport d'aspect hauteur sur diamètre H/D des particules, et donc leur réponse optique. Des analyses structurales quantitatives menées par microscopie électronique en transmission à balayage (HAADF-STEM) font apparaître que H/D est une fonction décroissante du diamètre D, indépendamment de la quantité de métal déposé. Afin de comprendre ces effets de la matrice sur les propriétés structurales et optiques des particules, différentes études (influence du métal et de la quantité déposés, présence d'une couche tampon, influence des conditions d'élaboration, vitesse de recouvrement des particules, ... ) sont menées et des simulations numériques des spectres du facteur de transmission sont réalisées en intégrant dans un modèle de Yamaguchi les paramètres structuraux issus de l'analyse HAADF. Une autre approche consiste à utiliser des surfaces d'alumine nanostructurées afin d'induire une organisation surfacique des particules et ainsi entraîner une anisotropie de leurs propriétés optiques. Nous montrons que selon la géométrie de dépôt utilisée (incidence normale, incidence rasante, orientation et angle d'incidence du flux atomique), il est possible par effet d'ombrage de sélectionner le type de facettes sur lesquelles la croissance a lieu, et par conséquent d'organiser les nanoparticules d'argent sur la surface sous forme de bandes ou de chaînes linéaires, dont les propriétés optiques présentent une dépendance à la polarisation de la lumière incidente.

L'objectif de ce travail consiste à améliorer nos connaissances sur les mécanismes à l'origine des effets de renforcement dans le cas des matériaux nanocomposites. Dans cette optique, des systèmes modèles, à matrice polymère amorphe renforcée par des nanoparticules de silice colloïdale, ont été élaborées. Les propriétés optiques, physico-chimiques et mécaniques de ces matériaux ont été reliés à leur morphologie. L'analyse morphologique des nanocomposites a permis de montrer que les nanoparticules de silice étaient agrégées pour des taux de charges inférieurs à 6%, un chemin percolant apparaissant pour des taux de charges supérieurs. L'étude de la mobilité moléculaire des chaînes du polymère a permis de montrer que les nanoparticules n'induisaient aucune variation de mobilité globale des chaînes. L'augmentation de la partie réelle du module et les variations d'amplitude et de position de la relaxation principale à taux de renfort croissant, révélées lors de l'analyse du comportement viscoélastique linéaire des matériaux, ont été reliées à leur différentes architectures. Ces résultats ont ensuite été confrontés aux résultats théoriques issus de deux approches. A l'échelle mésoscopique, nous avons montré au moyen d'un modèle micromécanique adapté que la présence du réseau percolant de charges pouvait être à l'origine du fort effet de renforcement observé et du décalage de la relaxation principale vers les basses températures pour les composites renforcés par des taux de charges supérieurs au seuil de percolation. A l'échelle atomique, nous avons analysé un système PBMA-silice par dynamique moléculaire. Grâce à ce modèle, nous avons pu analyser l'influence de la présence de la charge sur la mobilité moléculaire du polymère et les propriétés mécaniques des nanocomposites.

Un effort de recherche important concerne le développement de nouvelles solutions pour la génération de second harmonique dans des guides d'ondes, généralement réalisés par implantation ou par échange d'ions sur des substrats monocristallins optiquement<br />non-linéaires.<br />Dans la première partie de ce travail, nous avons utilisé l'échange de protons pour réaliser des guides d'ondes sur des substrats d'iodate de lithium, matériau largement utilisé<br />pour des applications en optique non-linéaire quadratique. Des guides d'ondes présentant une atténuation inférieure à 1 dB/cm ont été obtenus et nous avons montré, par une étude combinée en diffraction des rayons X, spectroscopie Raman et spectroscopie mlines, que la couche guidante était constituée de solution solide Li(1−x)HxIO3 dont l'indice de réfraction est proportionnel à la concentration en protons (x). Nous avons également caractérisé la cinétique du processus d'échange. Cependant, les coeffcients de diffusion élevés à température ambiante ne permettent pas l'obtention de guides stables dans des conditions standard d'utilisation.<br />Tout en gardant comme objectif la réalisation de guides d'ondes pour l'optique nonlinéaire, nous avons abandonné l'utilisation de LiIO3 monocristallin pour l'insérer sous la forme de nanocristaux dans des matrices vitreuses. Ainsi, deux types de nanocomposites<br />ont été étudiés, l'un constitué d'une matrice de silice élaborée par voie sol-gel, l'autre constitué d'une matrice de Laponite, une argile synthétique très bas coût. Pour chacun des composites, une étude structurale a permis de déterminer la cinétique de cristallisation de LiIO3 dont les cristaux ont pu être orientés par l'application d'un champ électrique durant la nucléation.<br />Enfin, pour le composite LiIO3/Laponite, des guides d'ondes ont été élaborés et une atténuation de l'ordre de 2 dB/cm a été mesurée. Nous avons mesuré un coeffcient nonlinéaire effectif de l'ordre de 1.6 pm/V pour un composite dopé à 50% vol. et un modèle<br />a été proposé pour décrire le comportement optique non-linéaire du matériau. Ce modèle a ensuite permis de simuler les performances de structures périodiquement orientées.

Une suspension aqueuse de nanocristaux d'amidon de maïs cireux est obtenue par hydrolyse acide de grains d'amidon (longueur:40-60nm, largeur:15-30nm, épaisseur:5-7nm). Le premier objectif de la thèse est l'optimisation de la préparation de ces nanocristaux par la mise en place d'un plan d'expériences. Leur structure moléculaire est ensuite étudiée par dégradation enzymatique, et leur modification chimique de surface est envisagée. Le deuxième objectif est l'utilisation de ces nanocristaux comme charge de renfort dans une matrice polymère. Deux polymères naturels ont été choisis: le latex de caoutchouc naturel et l'amidon thermopalstique. Les nanocomposites, mis en oeuvre par casting, sont caractérisés en termes de propriétés morphologiques, structurales, barrière et mécaniques.

Ce travail porte sur la réalisation et la caractérisation d'électrodes pour piles à combustible (PAC). L'approche bottom-up adoptée associe par voie liquide des nanoparticules de platine enrobées par des molécules (NP) et des nanotubes de carbone (NT) préformés afin d'obtenir une dispersion liquide de nanocomposite. Ce procédé permet de contrôler dans une large gamme la couverture des nanotubes de carbone par les nanoparticules de platine. Puis, par filtration sur feutre de carbone nous obtenons des électrodes de PAC avec des couches actives de compositions très diverses (1 à 300 g Pt/cm², épaisseurs de 10 à 80 µm). Nous avons ensuite qualifié ex situ ces électrodes à l'aide de paramètres pertinents dont l'un est directement associé à la réduction de l'oxygène. Nous avons utilisé la voltampérométrie cyclique dans les conditions où les électrodes sont imprégnées d'électrolyte et calculé ces paramètres pour chaque électrode. Des différences observées dans ces paramètres entre deux méthodes d'imprégnation des électrodes ont révélé l'importance des modulations de mouillabilité des couches actives avec le rapport massique NP/NT et la nature de l'enrobage des nanoparticules. Cela débouche sur la possibilité de réaliser des électrodes modèles permettant à terme d'optimiser la gestion des points triples et donc l'utilisation du catalyseur dans les électrodes de PAC. Des tests en pile avec nos électrodes illustrent ainsi la possibilité de diminuer à l'avenir de manière très significative les densités de platine dans les PAC.

L'idée que nous avons développé dans ce travail est de faire usage d'une commande électrique unique pour modifier à la fois les propriétés diélectrique et magnétique de nanomatériaux contenus dans le dispositif hyperfréquence. Pour cela, nous cherchons à exploiter le concept de propriété produit, dont un exemple est donné par l'effet magnétoélectrique (ME). Si l'on considère un mélange de deux phases condensées en contact, la première étant magnétostrictive et la seconde piézoélectrique, alors l'application d'un champ magnétique externe sur la phase magnétostrictive génère un champ de contrainte mécanique locale activant la piézoélectricité et ainsi fait apparaître un gradient de potentiel. En d'autres termes, la magnétoélectricité conduit à une variation de la permittivité par l'application d'un champ magnétique externe, et par commutativité, à une dépendance de la perméabilité magnétique sous l'action d'un gradient de potentiel. Les nanostructures granulaires présentent de nombreux avantages par rapport aux céramiques, aux couches minces et aux matériaux monophasés. La faible conductivité, l'absence d'interdiffusion et de réactions chimiques parasites dues au frittage, l'absence de substrat, la conservation de l'échelle nanométrique, la facilité et le faible coût du protocole d'élaboration de ces NCs en font des matériaux de choix pour la réalisation d'un effet ME en vue de proposer des dispositifs hyperfréquences originaux. Le fait saillant de ce travail a été de mettre en évidence un couplage magnétoélectrique (ME) dans des nanocomposites (NCs) granulaires biphasiques dans le domaine micro-onde à température ambiante. L'usage de la résonance ferromagnétique (RFM-LMB) sur une large gamme de fréquences (6-28 GHz) et de spectroscopie micro-onde (100 MHz-6 GHz) combiné à une étude du transport électronique et à l'utilisation de plusieurs sondes morphologiques nous a permis de corréler les propriétés dynamiques de l'aimantation, les paramètres électromagnétiques des matériaux, et les informations microstructurales au coefficient ME.