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Sujet de thèse : Préparation et étude de nanostructures 1D
10 mai 2011
Préparation et étude de nanostructures 1D pour le développement de nouveaux dispositifs piézoélectriques
Résumé : Depuis quelques années, le procédé "d’electrospinning" suscite un intérêt croissant pour développer des matériaux fibreux innovants dans des secteurs aussi variés que l’industrie textile (ingénierie de nouveau textile) la médecine (bio mimétisme, libération des agents actifs), l’industrie alimentaire, etc. Cette technique permet la fabrication en continue de nanostructures 1D présentant un très grand facteur de forme et une morphologie (taille et qualité de surface) facilement ajustable. De nouvelles générations de matériaux ont donc été crées et utilisées afin d’améliorer les propriétés spécifiques de matériaux actuels en direction d’applications ciblées. Des études ont notamment été dédiées à l’élaboration de matériaux oxydes tels que l’Al2O3, TiO2, SnO2, etc, mais seulement peu d’entre elles concernent des matériaux piézoélectriques (comme le PZT ou dans une moindre mesure l’AlN) qui sont utilisés comme actionneurs par exemple dans des dispositifs électroniques, et plus récemment comme source d’électricité dans des environnements à faibles ou à fortes vibrations ou déformations mécaniques (secteur des transports par exemple). De plus, l’insertion de nanostructures piézoélectriques dans une matrice polymère n’a pas été démontrée, ce qui est primordial dans le cas de la réalisation d’actionneurs, en couplant efficacement des modes de flexion, pour activer une structure ou amortir la vibration de plaque ou de coque sur lesquelles ils seraient installés.
A travers ce travail de thèse, nous souhaitons élaborer une nouvelle génération de nanostructures 1D par voie chimique. Dans un premier temps, l’étude portera sur l’élaboration de systèmes sol-gel de type PZT (Zircono-Titanate de Plomb). Dans un second temps, l’étude consistera à développer des nanostructures 1D de type nitrure d’aluminium (AlN) obtenues par la voie « polymères précéramiques », avec un contrôle de la forme, de la pureté et de l’état cristallin du matériau final. Ces structures pourront être utilisées en l’état, éventuellement comme système de filtrationou insérées en matrice polymère et former ainsi un matériau de type nanocomposite dont les propriétés physiques devraient être optimisées pour des applications comme matériaux ultrasoniques et intelligents en contrôle de forme ou en contrôle actif de vibration. Le(La) candidat(e) sera tout d’abord amené(e) à étudier les paramètres d’extrusion influençant la qualité intrinsèque de ces nanostructures et en collaboration avec d’autres laboratoires partenaires, leurs propriétés structurales et piézoélectriques qui seront ensuite déterminées soient individuellement, soient en matrice polymère. Enfin, la réalisation de dépôts surfaciques post-synthèse n’est pas exclue pour parvenir à répondre au cahier des charges qui sera fixé en fonction des applications visées.
Abstract : Since a few years, a growing interest is given to electrospun NFs for new potential applications as large as textile industry (new tissue engineering), nanomedicine (biomimetism, drug delivery), food industry, etc. New generation materials can be designed and then used in order to improve some specific properties according to the desired application. Many studies are dedicated to the elaboration of oxides, such as Al2O3, TiO2, SnO2, etc, but only a few articles deal with specific piezoelectric material such as PZT or AlN. Moreover, in these latest studies, the authors do not investigate the surface coating of those nanofibers and as a consequence the interface with the polymer matrix.
The PhD thesis will be devoted to the implementation of an electrospinning process which has been recently developed in the lab to prepare nanofibers (NFs). The latter can be used as-prepared or embedded into a polymer matrix thus resulting in a composite material. The student will study the electrospinning parameters which affect the properties of the nanofibers and he will characterize in particular the structural and piezoelectric properties of the individual nanofibers and/or nanofibers in polymer matrix.
In this PhD thesis work, we would like to synthesize a new-generation of 1D nanostructures around sol-gel systems like PZT or nitride binary ones such AlN obtained from preceramic polymers, with a controlled shape and a high purity. The shape quality of the NFs is modified by adjusting the electrospinning parameters. In order to improve the piezoelectric efficiency of those 1D nanostructures embedded in the polymer matrix, the coating of their surfaces with graphitic plans of carbon will be performed. The thickness control of this coating should improve significantly the electric conduction of the 1D nanostructure and as a consequence the piezoelectric properties of the resulting composite material.
Contact : A. Brioude, V. Salles, Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces, LMI UMR 5615, 2ème étage du Bâtiment Berthollet, Domaine scientifique de la Doua, 43 Bd du 11 Novembre 1918, 69100 Villeurbanne. Email : arnaud.brioude(at)univ-lyon1.fr, vincent.salles(at)univ-lyon1.fr Téléphone : 04.72.44.84.03
