Soutenance de thèse de Pierre-Henry ESPOSITO

Cette thèse traite des poudres d’aluminium utilisées dans les mélanges énergétiques. Dans un contexte d’amélioration des performances, les poudres d’aluminium sont au centre de beaucoup d’études. L’objectif de ce manuscrit est de présenter les recherches menées dans ce domaine au laboratoire MADIREL. Grâce à la technique de broyage planétaire haute énergie, nous avons synthétisé des poudres d’aluminium de dimensions micrométriques et nanométriques. A la différence des poudres commerciales sphériques, les poudres obtenues par cette technique ont une morphologie plaquette. Aux moyens de techniques d’analyses diverses, nous avons caractérisé les propriétés physico-chimiques des poudres d’aluminium ainsi fabriquées au laboratoire. Leur texture a été étudiée par microscopie électronique, par diffraction dynamique de la lumière et par manométrie d’adsorption d’azote liquide à 77K. Leur comportement thermique a été examiné sous atmosphère inerte (par calorimétrie différentielle à balayage) et sous atmosphère oxydante (par analyses thermogravimétriques couplées à l’analyse thermique différentielle). Enfin, la structure et la microstructure des poudres dans différents états d’oxydation, a été étudiée par diffraction de rayons X et neutrons. Nous avons pu établir des critères de réactivité et comparer des poudres présentant différentes morphologies et différents états de division. Nous montrons que le broyage haute énergie permet la synthèse de poudres de réactivité comparable voire meilleure aux poudres commerciales sphériques. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux mécanismes d’oxydation des poudres, réalisant une étude comparative sur des poudres présentant des morphologies différentes. Pour cela des analyses thermogravimétriques sous air en mode isotherme et à vitesse de réaction contrôlée ont été réalisées. La modélisation de l’oxydation des poudres a été réalisée en utilisant une approche basée sur les principes de cinétique hétérogène. Ces modélisations montrent que la morphologie ne modifie pas l’oxydation qui est régie par des mécanismes de diffusion. Enfin, la réactivité des poudres élaborées au laboratoire a été évaluée grâce à différents tests de combustions. La formulation de propergol et des tests de propulsions ont été réalisés en collaboration de l’ONERA. Dans un second temps, les poudres ont été utilisées dans des nanothermites Al/CuO et des tests de combustion ont été menés avec le laboratoire NS3E de l’institut franco-allemand de Saint-Louis.

This thesis deals with aluminum powders used in energetic materials. In a context of improving their performance, aluminum powders are at the center of many studies. The objective of this thesis is to present the research works conducted in this field at the MADIREL laboratory. Thanks to the high-energy planetary ball milling technique, we have synthesized aluminum powders having micrometric or nanometric dimensions. Unlike the spherical commercial powders the powders obtained by this technique possess a flake morphology. Using various techniques, we have characterized the physicochemical properties of aluminum powders produced in the laboratory. Their texture was studied by electron microscopy, dynamic light scattering and nitrogen adsorption manometry at 77K. Their thermal behavior was followed under an inert atmosphere (using differential scanning calorimetry) and under an oxidizing atmosphere (using thermogravimetric analyses coupled with differential thermal analysis). Finally, the structure and the microstructure of the powders in different oxidation states, was studied by x-rays and neutrons diffraction. Using those results we have established reactivity criteria and we have realized a comparative study of powders having different morphologies and different states of division. We show that high-energy ball milling allows the synthesis of powders with a similar or better reactivity than spherical commercial powders. The oxidation mechanism of aluminum powders was also at the heart of this work. For this, thermogravimetric analyzes under air either in isothermal mode or using a controlled reaction rate were performed. The modeling of the oxidation of powders was carried out using an approach based on the principles of heterogeneous kinetics. These models show that morphology does not modify oxidation, which is governed by diffusion mechanisms. Finally, the reactivity of the powders was evaluated thanks to various combustion tests. Propellant formulation and propulsion tests were carried out in collaboration with ONERA. The preparation of nanothermites and their combustion tests were conducted at the NS3E laboratory of the Franco-German Institute of St. Louis.