L’utilisation des nanocarbones est en plein développement maintenant que leur relative non toxicité a été établie. Mis dans des matrices polymères, ils permettent de modifier essentiellement les propriétés mécaniques et électriques.
Dans cette thèse, nous avons étudié la formation et la diffusion d’un film de nanotubes de carbone multiparois (MWCNT) à la surface d’un thermoplastique technique, à savoir le poly-éther-éther cétone (PEEK) qui possède une haute température de fusion, voisine de 342°C. Les étapes de fabrication et de caractérisation de la couche rendue conductrice vont des différentes techniques de préparation du film de nanotubes (dispersion dans des liquides, création d’interface en jouant sur les miscibilités) à l’optimisation du recuit permettant la diffusion jusqu’à finalement les mesures électriques et optiques. Nous avons analysé au cours du temps la position du front de diffusion des nanotubes par microscopie électronique. Un modèle simple permet de rendre compte quantitativement des observations. Au niveau de la conductivité électrique et de la transmission optique, un ensemble de mesures permet d’avoir une description de ces échantillons en fonction du temps de recuit et donc de les envisager dans différentes applications. Les propriétés piézo-électriques des couches ainsi fabriquées ne sont pas entièrement réversibles essentiellement du fait du mauvais transfert des contraintes mécaniques au réseau de nanotubes induit par la proximité de la surface. Le contrôle de l’imprégnation de la couche de nanotubes par le polymère permet de façonner les propriétés de la surface, ce qui peut avoir des applications pour la réparation de surface composite et la restauration de propriétés électriques ou mécaniques de surface.
Pour toutes ces études, nous avons souvent testé différentes techniques pour obtenir des informations pertinentes. En particulier, la spectrométrie Raman a été mise à profit, du fait du signal intense observé avec le carbone. Non seulement, nous avons caractérisé les nanotubes mais aussi d’autres formes de nanocarbones, à savoir les fullerènes, le graphène, et les cokes (échantillons composés de feuilles de graphène d’une dizaine de nanomètre de diamètre empilées de manière aléatoire). Dans ces études complémentaires, les effets de dopages (premier stade de dopage pour les fullerènes dans les superacides), la présence de défauts dont l’énergie de guérison est faible (groupe époxy dû à des radicaux oxygène au voisinage d’une surface de mono-graphène), ou les effets de pression (séparation potentielle de différentes contributions dans les spectres Raman) ont été analysés avec une question sous-jacente assez fondamentale.
Finalement, l’utilisation de nombreuses techniques a permis de répondre à la question sur l’utilisation de ces films recuits comme capteur. Nous avons ainsi exploré le lien entre transmission optique et conductivité de couches recuites en association avec la profondeur de diffusion et leur tenue mécanique suite à des cisaillements répétés. L’ensemble de ce travail, allant de la chimie à la physique jusqu’à l’électronique, est pluridisciplinaire et a nécessité de longues étapes de mise au point et de test. Les compléments apportés par une partie d’études plus fondamentales nous a conduit à analyser à l’échelle atomique certains phénomènes, ouvrant à une compréhension plus fine de ceux-ci. |
The use of nanocarbons has gained much attention recently after the evaluation of its relative non toxicity. Embedded into polymeric matrix, they allow a tailoring of the mechanical and electrical properties.
In this thesis, we studied the formation and diffusion of a multiwall carbon nanotube (MWCNT) thin film at the surface of an engineering thermoplastic named poly-ether-ether-ketone (PEEK) which possesses a high temperature melting point close to 342°C. The fabrication and characterization of the electrically conductive thin composite film extended from the different synthesis step (dispersion of carbon nanotube in solvent, creation of interface by using the change of wetting and miscibility with different solvents) to the optimization of the annealing process to allow diffusion and finally the characterization of the electrical and optical properties. We analyzed as function of time the displacement of the carbon nanotube diffusion front using transmission electron microscopy. A simple model can explain quantitatively the experimental observations. For electrical conductivity and optical transmittance, experimental dataset allow for an annealing time dependent description of the behavior of the sample and thus to consider their usage in different applications. Piezo-electrical properties of the fabricated thin composite film are not entirely reversible essentially because of the limited transfer of mechanical stress to the carbon nanotube network induced by close proximity to the surface. The control of the impregnation of the nanotube layer by the polymer makes it possible to shape the properties of the surface, which may have applications for the composite surface repair and the restoration of electrical or mechanical surface properties.
For all these studies, we tried different characterization technique to get relevant information. In particular, Raman spectroscopy was taken advantage of thanks to the strong optical response of carbon. Not only have we characterized carbon nanotube, but also others forms of nanocarbon, namely fullerene, graphene and cokes (samples made of graphene sheets of about 10 nanometers in diameter stacked randomly). In these complementary studies, the doping effect (first stage of doping for fullerene in superacids), the presence of low healing energy defects (epoxy functional group induced by oxygen radical in the vicinity of a monolayer graphene sheet), or pressure effects (potential separation of different contributions to Raman spectra) were analyzed with a fairly fundamental underlying question.
Finally, numerous techniques allowed giving an answer to the question about the usage of these annealed films as sensors. We thus investigated the link between optical transmission and electrical conductivity of annealed film in association with diffusion depth and their mechanical strength change following application of repeated shears. The whole of this work, ranging from chemistry and physics up to electronic, is multidisciplinary and required lengthy development and testing. Additional information brought by a part of more fundamental studies led us to analyses at the atomic-scale some phenomenon, allowing a more in-depth understanding of them. |