L'incorporation de nanotubes de carbone (NTCs) dans des polymères et des métaux modifie leurs propriétés électriques, mécaniques et tribologiques. Les composites polymères-NTCs sont des matériaux prometteurs pour l'aéronautique alors que les NTCs dans les métaux peuvent améliorer leurs propriétés tribologiques. Une condition importante dans la fabrication des nano-composites est l'obtention d'une dispersion homogène des NTCs. De grandes variations dans la concentration des NTC conduisent à des variations non souhaitables des propriétés mécaniques et thermo-physiques. Les NTCs ont tendance à s'agglomérer en raison des interactions - et la flexibilité de ces longs tubes. Disperser des NTCs uniformément dans une matrice à l'échelle du micromètre reste difficile. La spectroscopie Raman est une technique particulièrement adaptée pour détecter la présence de NTCs et leurs interactions avec l'environnement. Un des objectifs de cette thèse est de montrer comment la spectroscopie Raman, en association avec d'autres techniques, peut être efficacement utilisée pour étudier les propriétés structurales et électroniques des nano-composites à base de NTCs. Dans la première partie de la thèse, l'interaction de l'acide sulfurique avec des tubes métalliques et semi-conducteurs est étudiée en utilisant la spectroscopie Raman résonante et la pression hydrostatique afin de mieux comprendre l'influence de transfert de charge sur les bandes spectrales. Dans la deuxième partie, les NTCs dans une matrice de cuivre (Cu) sont considérés. Pour mieux comprendre l'usure par frottement des NTCs à double paroi incorporés dans le Cu, nous utilisons la cartographie spectrale Raman qui fournit des informations sur la dispersion des NTCs et leurs dégradations après des tests d'usure. Nous avons développé une analyse d'image Raman qui fournit des informations statistiques sur la dispersion et la quantité NTCs dans la matrice métallique. La troisième partie aborde la question des NTCs dans une matrice polymère. Nous étudions la variation de la dureté de poutre en composite Poly (Ether Ether Ketone) PEEK contenant de 0,5-2% en poids de NTCs multi-paroi. Nous utilisons des histogrammes extraits des images Raman de l'intensité relative de la bande spectrale de D pour évaluer la quantité de NTCs et leur dispersion. Nous constatons que les variations de concentration des NTCs multi-paroi conduisent à des variations de dureté dans le composite polymère. Finalement, nous étudions la diffusion d'un polymère thermoplastique dans les NTCs agglomérées lorsque le recuit sur la surface d'une feuille de polymère, par imagerie spectrale Raman et par microscopie électronique à transmission. Sur la base des résultats expérimentaux, un modèle microscopique est proposé. Il explique la diffusion propre des NTCs dans une matrice polymère lors de recuit ainsi que la formation d'une interface abrupte entre la couche de diffusion et le polymère. Les mesures de transport électronique en fonction de la température et de la concentration en NTCs montrent une forte conductivité électrique compatible avec la formation d'un réseau percolant de NTCs. |
The incorporation of carbon nanotubes (CNTs) into polymers and metals modifies their electrical, mechanical and tribological properties. CNT polymer composites are promising aerospace structural materials while CNTs in metals can improve their tribological properties. An important requirement in nano-composites is a homogeneous dispersion of CNTs. Large variations in the concentration of CNTs lead to undesirable variations in mechanical and thermo-physical properties. CNTs tend to agglomerate due to p-p stacking and long tube flexibility. Dispersing CNTs uniformly in a matrix at the micrometer scale remains challenging. Raman spectroscopy is a particularly compelling technique to detect the presence of CNTs and their interaction with the environment. One of the objectives of this thesis is to show how Raman spectroscopy, in association with other techniques, can be effectively employed to investigate structural and electronic properties of CNT nano-composites. In the first part of the thesis, the interaction of sulfuric acid with metallic and semiconducting tubes is studied using resonant Raman spectroscopy and hydrostatic pressure to better understand the influence of charge transfer on the spectral bands. In the second part CNTs in a Cu matrix are considered. To better understand the friction wear of double wall CNTs in Cu we use Raman spectral mapping that provides information about the dispersion of CNTs and their damage after wear tests. A Raman image analysis is developed which provides statistical information about the dispersion and the amount of CNTs in the metal matrix. The third part considers CNTs in a polymer matrix. We investigate the variation in hardness of Poly (Ether Ether Ketone) PEEK composite beams containing 0.5-2 wt % of multi-walled CNTs. We use histograms of the relative intensity of the spectral D band across a Raman map to estimate the amount of MWCNTs and their dispersion. We find that variations in multi-walled CNT concentration lead to variations in hardness in the polymer composite. Finally we study the diffusion of a thermoplastic polymer into agglomerated carbon nanotubes when annealing on the surface of a polymer sheet by Raman spectral imaging and transmission electron microscopy. Based on the experimental results a microscopic model is proposed which explains self-diffusion of CNTs in a polymer matrix when annealing as well as the formation of a sharp interface between the diffusion layer and the bulk polymer. Electronic transport measurements as a function of temperature and CNT concentration show high electrical conductivity consistent with the formation of a uniform percolating CNT network. |