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Home > Teams > NINO > Opérations de Recherche > Elaboration de nanomatériaux multifonctionnels par processus polyol et frittage SPS (OR2)

Elaboration de nanomatériaux multifonctionnels par processus polyol et frittage SPS

by Mamadou Traore - published on

Les activités de recherche des membres de cette opération de recherche se concentrent depuis 2012 sur l’élaboration par voies originales de matériaux nanostructurés et sur l’étude de leurs caractéristiques physiques (structure et fonction). Cette nano-structuration est recherchée tant pour les matériaux finement divisés voire nanométriques que pour les matériaux massifs. Les matériaux finement divisés sont élaborés par une voie de chimie douce qui met en jeu les réactions de réduction et d’hydrolyse en milieu polyol. Nous avons par ailleurs enrichi cette méthode par l’application au milieu réactionnel de contraintes extérieures tel qu’un champ magnétique ou d’ultrason. Afin de disposer d’une quantité de matière suffisante, nous avons en collaboration avec un autre groupe du laboratoire (PEMA), développé un réacteur permettant la synthèse à grande échelle de ces nano-objets (réacteur de 4l, production 20 grammes). Les matériaux massifs nanostructurés sont élaborés quant à eux par une stratégie bottom-up mise au point au sein du groupe. Dans une première étape les matériaux sont préparés à l’état finement divisé grâce au procédé polyol décrit plus haut. Dans une seconde étape, le matériau massif est obtenu, à partir des nanopoudres, à l’aide du procédé de frittage « flash » par courant pulsé : Spark Plasma Sintering. En raison de son mode de chauffage (effet Joule) et de la pression appliquée, ce procédé permet la consolidation et l’obtention d’un matériau massif pour une durée de traitement thermique très courte et à une température plus faible en comparaison des procédés de frittage classiques. Ceci présente l’avantage de limiter la taille des grains et d’obtenir ainsi un matériau massif nanostructuré sensé conserver les propriétés liées au confinement de taille des nanoparticules initiales. Par ailleurs, nous avons également apporté une innovation sur le procédé SPS lui-même. En effet il a été possible au moyen de l’installation d’un aimant de Halbach au sein du four de l’appareil SPS, de réaliser une consolidation assistée par un champ magnétique. Un tel procédé modifié est d’un grand intérêt pour l’élaboration de matériaux magnétiques nanostructurés car il permet, par la maîtrise de leur anisotropie magnétique, de moduler leur comportement magnétique. Ceci revêt un intérêt majeur pour des applications dans le domaine des aimants permanent ou encore celui de l’enregistrement magnétique.
Les compositions étudiées ont été choisis en fonction des applications visées : les alliages à base de cobalt (aimants permanents) et les oxydes de fer (enregistrement magnétique), l’oxyde de zinc seul ou combiné aux oxydes de fer (imagerie médicale), l’hydroxyapatite (implants orthopédiques), et les alliages Ag-Sn (matériau de brasure en électronique). Des travaux particulièrement innovants, constituant un axe de recherche fédérateur de l’équipe NINO, porte sur l’élaboration, et plus particulièrement le frittage, ainsi que sur l’étude des propriétés de céramiques optiquement transparentes, possédant des tailles de grains inférieures à 50 nm et pour lesquelles des applications sont envisagées dans le domaine de l’optique résistants aux rayonnements ionisants (fort taux d’applications dans des centrales nucléaires). Pour ce travail, les monolithes ultraporeux de Al2O3 d’une structure nanofibreuse (D 5 nm et L 150 nm) sont élaborées avec un procédé originale de l’équipe (brevet : Vignes J-L., et al., CNRS-CEA), éventuellement imprégnés (Si, Mg) et utilisés pour le frittage. Les échantillons transparents ont été obtenus. Les mesures de la résistance des matériaux obtenus aux rayonnements ionisants est en cours.

Figure 5-1 : Images MET des bâtonnets et du matériau consolidé Figure 5-2: Caractéristiques magnétiques.

Il convient de remarquer, qu’en plus du thème de recherche principal, nous avons développé également des collaborations sur d’autres thèmes où notre expertise était recherchée. On pourra citer ici les travaux réalisés sur les matériaux de coupe à base du ternaire Ti-Si-C, sur les oxydes aux propriétés piézoélectriques de la famille (K,Na)NbO3 ou encore ceux effectués sur les oxydes aux propriétés thermoélectriques.
Les différents travaux de recherche menés ont donné lieu au dépôt d’un brevet, à la parution de 55 publications (50 articles dans des RICL, 3 articles dans des actes de congrès internationaux à comité de lecture, 1 article dans des actes de congrès nationaux et 1 article dans une revue nationale). Afin d’illustrer la stratégie de type « bottum up » mise en place nous donnons ici les résultats obtenus concernant les composés à base de nanofils d’alliage cobalt-nickel.
Matériaux nano-structuraux magnétiques: Des nanobâtonnets de l’alliage Co80Ni20 de diamètre de 6 nm et de longueur de 270 nm été élaborés à grande échelle par le procédé polyol. Dans un deuxième temps, ces bâtonnets ont été consolidés par SPS en présence d’un champ magnétique appliqué à l’échantillon avant compaction. Les observations MET mettent en évidence une orientation préférentielle des bâtonnets sous l’influence du champ magnétique extérieur appliqué (Figure 5). Cette texturation induit d’une part une amélioration nette du champ coercitif du matériau et d’autre l’apparition d’une anisotropie magnétique par la présence d’axes de facile et difficile aimantation (Figure 5).