Le composite cuivre / nanofibres de carbone, The copper-carbon nanofibers composite

Cécile Vincent

Description

Sous la direction de Jean-Marc Heintz, Jean-François Silvain
Thèse soutenue le 19 novembre 2008: Bordeaux 1
Le matériau composite Cu/NFC (Nano Fibre de Carbone) peut être utilisé en tant que drain thermique par les industriels de l'électronique de puissance. En remplacement du cuivre, il doit combiner une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique adapté à celui de la céramique du circuit imprimé (alumine ou nitrure d’aluminium). Après avoir étudié les propriétés de la matrice cuivre et des NFC, plusieurs méthodes de synthèse du composite Cu/NFC ont été développées. Le composite a tout d’abord été élaboré par métallurgie des poudres. Puis, dans le but d’améliorer l’homogénéité, il a été envisagé de revêtir individuellement chaque NFC par du cuivre déposé par voie chimique electroless ainsi que par une méthode originale de décomposition d’un sel métallique. Des mesures de densité et de propriétés thermiques (conductivité et dilatation) ainsi que les caractérisations microstructurales de ces matériaux montrent la complexité de l’élaboration d’un tel composite. En effet, la dispersion des nanofibres, la nature des interfaces fibres/matrice et surtout les phénomènes thermiques à l’échelle nanométrique sont autant de paramètres à contrôler afin d’obtenir les propriétés recherchées. La simulation numérique et analytique, qui a été mise en oeuvre en parallèle a été corrélée aux résultats expérimentaux, afin de prédire les propriétés finales de nos matériaux.
-NanoFibres de Carbone
-Composite NFC/cuivre
-Dépôt chimique
-Conductivité thermique
-Modélisation
Cu/CNF (Carbon Nano Fiber) composite materials can be used as heat sink in power electronic devices. They can substitute Copper by combining a high thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion close to the printed circuit one (alumina or aluminum nitride). After studying the properties of Copper matrix and CNF, three methods were set up for the elaboration of the Cu/CNF composite materials. It was first synthesized by a simple powder metallurgy process. Second, in order to obtain a better homogeneity, CNF were individually coated with Cu by an electroless deposition method. Third, an original technique involving the decomposition of a metallic salt has been used. Measurements of the density, the thermal properties (conductivity and dilatation), and the characterization of the microstructure of the composite materials have been performed. It reveals the complexity of the realization of such a composite. Indeed, the dispersion of CNF and the chemical nature of the Cu/CNF interfaces have to be controlled in order to reach the desired thermal properties. Analytical and numerical simulations have been conducted and correlated with the experimental results to predict final properties of our materials.
-Carbon NanoFibers
-Copper/CNF composite
-Metallic coating
-Thermal conductivity
-Modelization
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13664/document

Sujets

• Conductivité thermique
• Modélisation

Informations

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Extrait

n° 3664

THESE

présentée à

L’UNIVERSITE BORDEAUX 1

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES

par Cécile VINCENT

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPECIALITE : PHYSICO-CHIMIE DE LA MATIERE CONDENSEE






Le composite cuivre / nanofibres de carbone


Directeurs de thèse : J. M. Heintz et J. F. Silvain




Soutenue le 19 Novembre 2008



Devant la commission d’examen formée de :
M. Claude DELMAS Directeur de recherche CNRS, Directeur de l’ICMCB, Bordeaux
M. Sylvain DUBOIS Professeur, Phymat, Université de Poitiers
M. Karl JOULAIN Maître de conférences, ENSMA, Université de Poitiers
M. Jean-Marc HEINTZ Professeur, ICMCB, ENSCPB
M. Jean-François SILVAIN Directeur de recherche CNRS, ICMCB, Bordeaux
M. Pierre-Marie GEFFROY Chargé de recherche CNRS, SPCTS, Université de Limoges
M. Namas CHANDRA Professeur, College of Engineering, University of Nebraska, Lincoln

Membre invité :
M. Jacques SALAT Ingénieur thermicien, Hispano-Suiza Table des matières



Table des matières

Remerciements


Les travaux de recherche qui font l’objet de ce mémoire ont été réalisés à l’Institut de Chimie
de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB – UPR 9048). Je remercie Monsieur Claude
Delmas, Directeur de l’ICMCB, de m’avoir accueilli au sein de son l’institut et d’avoir accepté
de présider le jury de thèse.
Je tiens également à remercier Messieurs Karl Joulain, Maître de Conférences à l’Université
de Poitiers, et Sylvain Dubois, Professeur à l’Université de Poitiers, de m’avoir fait l’honneur de
juger ces travaux en qualité de rapporteur, ainsi que Jacques Salat, cadre supérieur à Hispano
Suiza d’avoir fait partie de mon jury.
Je tiens à exprimer mes très sincères remerciements à Messieurs Jean-Marc Heintz,
Professeur à l’Université de Bordeaux I, et Jean-François Silvain, Directeur de Recherche à
l’ICMCB, pour la qualité de leur encadrement et leur soutien durant ces années de thèse.
J’adresse mes remerciements à Monsieur Pierre-Marie Geffroy, Chargé de Recherche au
SPCTS à Limoges, qui a su m’apporter ses connaissances scientifiques lors de son post-doc à
l’ICMCB.
Je remercie Monsieur Namas Chandra, qui m’a accueilli pendant trois mois au sein de son
équipe de recherche au College of Engineering à l’université du Nebraska, et qui m’a fait
bénéficier de son expérience et de ses compétences tout au long de ces travaux.
Mes remerciements s’adressent ensuite au Centre de Ressources en Microscopie
Electronique et Microanalyse (CREMEM) pour la mise à disposition de leur matériel ainsi que
leur aide qui a permis le bon déroulement de mes travaux. Je tiens à remercier les différents
services communs de l’ICMCB tels que le service diffraction des rayons X, la microanalyse, la
cryogénie, l’atelier, le service informatique, le service mesures électriques, l’ensemble du
personnel de l’infrastructure, la bibliothèque. Je remercie également l’ensemble du personnel
administratif : accueil, secrétariat, service gestion, service mission pour leur efficacité.
Je souhaite remercier les collègues de mon groupe : Amélie Veillere, Nicolas Combaret,
Guillaume Lacombe, Erwan Plougonven, Martial Giton, Eric Cartman, Grégory Lalet, Grégory
Hauss, Hossein Henni, Dominique Bernard qui ont contribué à une bonne ambiance de travail
pendant les trois années de thèse, ainsi que mes collègues des autres groupes pour leur joie et
leur bonne humeur au quotidien.
Je remercie enfin ma famille et mes amis qui m’ont témoigné un soutien indéfectible dans
l’accomplissement de ma thèse.

Table des matières

Table des matières


Introduction…………………………....…………………………………………………1

Chapitre 1 : Le cuivre………………..…….……………………….…………………3

I- Introduction………………………………………………………..…………………...4
1) Synthèse de poudres de cuivre : généralités…….…………………………………..…4

2) Poudres étudiées…………………………………..…………………………………...4

II- Mise en forme - densification…………………...……………..……………………...6
1) Introduction……………………………………...……………………...……………...6

2) Influence de différents paramètres sur la densification du cuivre……………………..7
2.1) Morphologie des grains…………………………………………………………..…7
2.2) Temps de frittage…………………………………………………………………....8
2.3) Pression appliquée……………………………………………………………….….9
2.4) Atmosphère de frittage………………………………………………………….…..9

3) Microstructures des échantillons frittés.……………………………………..……….11

III- Propriétés thermiques et thermomécaniques…….………………….……………13
1) Propriétés thermiques : résultats expérimentaux..…...…………………………...….13
1.1) Influence de l’atmosphère de densification……………………………………….13
1.2) Influence de la nature chimique de la poudre de cuivre……….………………….14
1.3) Influence de la morphologie des pores……………………………………………14
1.4) Evolution non linéaire de la conductivité………………………………..………..15
1.5) Conclusion………………………………………………………………………...17

2) Propriétés thermiques : modélisation…………………………………..…………….17
2.1) Modèles analytiques………………………………………………………………18
2.1.1) Présentation des modèles……………………………………...…………….18
2.1.2) Résultats……………………………………………...………………………19
2.1.3) Autres modèles.……...……………………………………………………….20
2.1.4) Résultats des « autres modèles »……………………………………………22
2.2) Modèles numériques………………………………………………………………25
2.2.1) Fraction volumique de pores………………………………………………..26
2.2.2) Forme et orientation des pores……………………………………………...28

3) Propriétés thermomécaniques…………...….………………………………………....31

IV-Conclusion……………………………………………………………………………31

Références bibliographiques……………………………………………………………33

Index des tableaux et figures……………………………………………………………34
Table des matières

Chapitre 2 : Les nanofibres de carbone……….....…………….……...………..37

I - Introduction……….………………………………………………………………….38

II - Elaboration des NFC…………………………………………………………….….38
1) CVD…………………...………………………………………………………..……..38
2) Electrospinning……..…………………………………………………………………39

III - Structure – propriétés des NFC………………………..………………….………40
1) Les différentes structures………….…………………………..…………………….…40

2) Influence des conditions de synthèse sur la structure des NFC……………...………..43
2.1) Influence du catalyseur / substrat…………………………………………...…….43
2.2) Influence de la température……………………………………………………….43

3) Propriétés des NFC………………………………………….……….…….…………44

4) Percolation des nanofibres de carbone…..……..…….………………………………45

IV - Fonctionnalisation – dispersion des NFC…………………………..………….….48
1) Fonctionnalisation………..…...…….…………………………………………..……48

2) Dispersion par méthode chimique……………………………………………...…….53

3) Dispersion par méthode physique……….……………………………………...…….55

V - Utilisation des NFC dans les composites …………………………………….…….59
1) Composites à matrice organique…………..……………………………………….…60

2) Composites à matrice céramique………..……………………………………...……..60

3) Composites à matrice métallique……..…….…….……..…………………………….61

VI - Autres applications……….…………………………………...…………..………..62

VII- Conclusion………………………………………………………………………….62

Références bibliographiques……………………………………………………………63

Index des tableaux et figures……………………………………………………………66

Chapitre 3 : Le composite cuivre-nanofibres de carbone….....…..…….67

I- Introduction…………….……………...…..…………………………………….……68

II- Les différentes méthodes d’élaboration…………………………..……………..…68
1) Métallurgie des poudres…………………..…………….…………………………….68
1.1) Expériences……………………………………………………………………...…68
1.2) Densification et microstructure….…………………………………………………69

2)Dépôt chimique electroless………………..….………...……………………………..71
2.1) Principe……………………………………………………………………………71
2.2) Activation des NFC……………………………………………………………….72
2.3) Dépôt du cuivre………………………...…………………………….…………...74

Table des matières

2.4) Résultats………………………………...………………………………………...77
2.5) Densification et microstructure…………...………………………………………78

3) Dépôt par décomposition d’un sel….……...……………………..……..………..….80
3.1) Principe…..……………………..…………………………………………………80
3.2) Microstructure du dépôt………...…………………….…………………………...82
3.2.1) Chlorure de cuivre……………………………..……………………………82
3.2.2) Nitrate de cuivre et NFC activées..…………………………………………83
3.2.3) Nitrate de cuivre et NFC brutes et fonctionnalisée