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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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5documents trouvés

18422
06/12/2018

De l'étude de l'initiation de nanolaminés réactifs Al/CuO par point chaud à l'intégration de pyroMEMS pour la sécurité

A.NICOLLET

NEO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 6 Décembre 2018, 226p., Président: E.CAMPO, Rapporteurs: J.M.CHEVALIER, J.WEN, Examinateurs: P.TOUNSI, G.ARDILA-RODRIGUEZ, Directeurs de thèse: C.ROSSI , N° 18422

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01975663

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Abstract

Energetic materials are able to generate high amount of thermal or mechanical energy in a very short time (μs) under an electrical, mechanical of thermal stimulus. Conventional materials, such as propellants or explosives, are widely used in pyrotechnic systems, but, for most of them, they can be impacted by new safety and environmental restrictions. Among the new compounds investigated, nanothermites (mixture of Al and metal oxide, in this case, copper oxide CuO, in nanometric dimensions) are particularly promising. In response to a stimulus, an oxidation-reduction reaction occurs, releasing a significant amount of energy in the form of heat. LAAS was among the first in France to perceive the need to find solutions for energetic materials integrable in thin film technology that are compatible with the ultimate integration and replace, where possible, the primary compositions of the initiators. Today a magnetron sputtering process is available for the growth of reactive nanolaminates consisting of alternating aluminum (Al) and copper oxide (CuO) nanolayers. The objective of this PhD is to consolidate the deposition technology which was developed in previous PhD, and promote applications, particularly by demonstrating two safety devices in close cooperation with industries. In a first part of the work, I experimentally studied the initiation of Al/CuO thermite reactions by a titanium hot wire, directly in contact with the multilayer nanothermite material. We have demonstrated that the nanothermite initiation conditions were largely influenced by electrical characteristics applied to the hot wire terminals, but also by the heating surface area, and the nanothermites structure and composition. The results of this study published in ‘Journal of Applied Physics’ allowed a better understanding of the hot point ignition of multilayer Al/CuO nanothermites, and; in particular, the establishment of design rules for multilayer nanothermites initiators. In a second stage of work, nanothermite initiators, here called pyroMEMS, were optimized, manufactured, and integrated into two pyrotechnic safety devices: a gas generator igniter, and a very fast circuit breaker. Interfacing between the nanothermites and the two applications has been studied and the initiators are able to ensure the desired robustness and reliability requirements

Résumé

Les matériaux énergétiques sont les seuls capables de générer une grande quantité d’énergie thermique ou mécanique en un temps très court (μs) suite à un stimulus électrique, mécanique ou thermique. Les matériaux conventionnels, tels que les propergols ou les explosifs, largement utilisés dans les systèmes pyrotechniques actuels sont impactés par les nouvelles normes de sécurités et les restrictions environnementales. Parmi les matériaux nouvellement explorés, les nanothermites (constituées d’un mélange d’aluminium Al et d’un oxyde métallique, ici l’oxyde de cuivre CuO, tous deux dans des dimensions nanométriques) sont particulièrement prometteurs. En réponse à un stimulus, une réaction d’oxydoréduction s’opère, libérant une énergie importante sous forme de chaleur. Le LAAS a été parmi les premiers en France à percevoir la nécessité de trouver des solutions de matériaux énergétiques intégrables en technologie couches minces pour être compatibles avec l’intégration ultime et remplacer, quand cela est possible, les compositions primaires des initiateurs. Aujourd’hui un procédé par pulvérisation cathodique est disponible pour le dépôt de couches énergétiques constituées d’alternance de nanofeuillets d’aluminium (Al) et d’oxyde de cuivre (CuO). Cette thèse a pour objectif de consolider cette technologie de dépôt de couches minces énergétiques, mise au point lors de thèses précédentes, et de promouvoir les applications, notamment par la démonstration de deux dispositifs de sécurité en étroite coopération avec des industriels. Nous avons, d’une part, étudié expérimentalement l’initiation de la réaction thermite Al/CuO par un fil chaud en titane directement en contact avec le matériau nanothermite multicouches. Nous avons montré que les conditions d’initiation de la nanothermite étaient largement influencées par les caractéristiques électriques appliquées aux bornes du fil chaud, mais aussi par la surface de chauffe et la composition de la nanothermite. Les résultats de cette étude publiés dans la revue ‘Journal of Applied Physics’ ont permis une meilleure compréhension de l’initiation des nanothermites Al/CuO multicouches par point chaud et surtout l’établissement de règles de conception des initiateurs à nanothermite multicouches. D’autre part, les puces d’initiation à nanothermite appelées ici pyroMEMS, ont ensuite été optimisées, fabriquées et intégrées dans deux dispositifs pyrotechniques de sécurité : un inflammateur pour générateur de gaz et étoupille, et un sectionneur de circuit très rapide (< 100 μs). L’interfaçage entre les nanothermites et les deux applications a été étudié et des puces permettant d’assurer les critères de robustesse et de fiabilité souhaités ont été développées.

Mots-Clés / Keywords
Al/CuO; Nanothermites; PyroMEMS; Initiation; Ignition;

145635
17459
22/11/2017

Modélisation et simulation multi-niveaux de la combustion d’une thermite composée de nanoparticules Al/CuO : des phénomènes microscopiques à la simulation du système en combustion

V.BAIJOT

NEO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Novembre 2017, 175p., Président: G.DAMAMME, Rapporteurs: L.CATOIRE, Examinateurs: E.LAFONTAINE, V.COULET, Directeurs de thèse: A.ESTEVE, C.ROSSI , N° 17459

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01680928

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Abstract

This thesis work deals with understanding and modeling the combustion of a mixture of nanoparticle made of aluminum and metal oxide. In this context, we developed a kinetic model, based on multiple elementary phenomena : diffusion, reaction, condensation, vaporization and decomposition. We showed that this model allows to predict the evolution of the pressure generated during the combustion as a function of multiple parameters : packing, proportion of aluminum and metal oxide, and particle sizes. Finally, this model have been coupled with a description of the thermal transport, in order to study the effect of heat losses in a combustion chamber.

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la compréhension et la modélisation de la combustion de mélange de nanoparticules composée d’aluminium et d’oxydes métallique. Dans ce cadre, nous avons développé un modèle cinétique, reposant sur un ensemble de phénomènes élémentaires : diffusion, réactions, condensations, évaporations et décompositions. Nous avons montré que ce modèle permet de prédire l’évolution de la pression généré en fonction de nombreux paramètres : la compaction, la proportion d’aluminium et d’oxyde métallique et la taille des particules du mélange. Enfin, ce modèle a été couplé à une description des transferts thermiques lors de la combustion, afin d’étudier l’effet des pertes thermiques dans une chambre de combustion.

Mots-Clés / Keywords
Thermite; Nanoparticules; Modélisation multi-échelles; Combustion; Cinétique chimique; Al/CuO;

141815
17005
16/01/2017

Exploration des nanotechnologies ADN pour l'auto-assemblage de nanoparticules d'aluminium et d'oxyde de cuivre : application à la synthèse de matériaux énergétiques

T.CALAIS

NEO

Doctorat : INP de Toulouse, 16 Janvier 2017, 286p., Président: J.P.AIME, Rapporteurs: S.BIDAULT, D.GASPARUTTO, Examinateurs: Y.CHABAL, A.ESTEVE, R.M.SAUVAGE, Directeurs de thèse: C.ROSSI, A.BANCAUD , N° 17005

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01482306

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Abstract

Over the two last decades, DNA technologies have intensively been studied for the organization of matter at the nanoscale. Thanks to the bio recognition of two complementary DNA single-strands and their hybridization into the famous helicoidally structure, self-assembling of gold nanoparticles into highly ordered micrometer scale crystals has been demonstrated. The aim of this thesis is to explore this new nanotechnology for the self-assembly of Al and CuO nanoparticles driven by DNA hybridization into highly energetic nanocomposites by optimizing contact surfaces between reducer (Al) and oxidizer (CuO). We chose Streptavidin-biotin strategy to functionalize nanoparticles with DNA single strands. More precisely, the functionalization process includes four steps: (i) stabilization of Al and CuO nanoparticles into separate colloidal suspensions; (ii) Streptavidin grafting on Al and CuO nanoparticles; (iii) DNA grafting on Al and CuO Streptavidin-modified nanoparticles thanks to the addition of biotin function at the end of the DNA single strands; (iv) mixing of the two colloidal DNA-functionalized suspensions in order to realize the self-assembly. First, we precisely determined, characterized and optimized each step of the functionalization process. Then, we studied more precisely two key points of the process: we analyzed the interaction of DNA bases with technologically relevant oxide surfaces by studying the grafting of Thymidine by theoretical and experimental approaches; and we studied the influence of the coding sequence used for the DNA strands on the quality of the self-assembly, also by theoretical and experimental analyses. Finally, we optimized environmental conditions to realize the self-assembly of DNA-functionalized nanoparticles into energetic nanobiocomposites. Morphologies and energetic properties were established as a function of synthesis conditions, and the control of energetic performances of nanobiocomposites as a function of aggregation process was demonstrated.

Résumé

Les nanotechnologies ADN utilisées pour l’auto-assemblage de nanoparticules d’or ou de métaux nobles ont connu un important développement au cours des vingt dernières années, permettant l’organisation de particules agencées en nano-cristaux, grâce à la reconnaissance biologique inégalable de deux brins complémentaires d’ADN. L’objectif de ces travaux de thèse est d’adapter ces nanotechnologies à l’assemblage de nanoparticules d’Al et de CuO en vue d’élaborer des matériaux composites énergétiques à haute performance, grâce à l’augmentation des surfaces en contact entre réducteur (Al) et oxydant (CuO) par la maîtrise de l’organisation spatiale des nanoparticules. Ainsi, la fonctionnalisation séparée des nanoparticules d’Al et de CuO dispersées en solution colloïdale par des monobrins d’ADN complémentaires doit amener, après mélange des deux solutions colloïdales, à l’agrégation des particules par l’hybridation des brins d’ADN greffés en surface. La stratégie de fonctionnalisation choisie ici est générique : la protéine « Streptavidine » est d’abord greffée sur la nanoparticule, puis le brin d’ADN fonctionnalisé par un groupe biotine à une de ses extrémités, se fixe sur la Streptavidine. Au-delà de l’organisation de la matière à l’échelle nanométrique, l’enjeu double de ces travaux tient dans l’établissement d’un protocole de fonctionnalisation fiable et reproductible, propre aux procédés de micro-électronique, pour envisager un report de ces matériaux sur puce, mais également dans le contrôle des performances énergétiques grâce à l’ADN. Nous avons tout d’abord étudié l’interaction entre les bases de l’ADN et la surface des particules afin d’identifier les interactions non-spécifiques pouvant provoquer une agrégation non-maîtrisée. Dans un second temps, nous nous sommes appliqués à élaborer le protocole en caractérisant précisément chaque étape de fonctionnalisation. Nous avons ensuite étudié l’agrégation des particules fonctionnalisées en fonction de nombreux paramètres expérimentaux telles que la longueur de la chaîne ADN, la séquence de l’oligonucléotide, ou encore la composition saline de la solution. A cause de l’existence d’interactions non-spécifiques, nous avons optimisés ces paramètres de façon à assurer une agrégation dirigée uniquement par l’hybridation des brins d’ADN et améliorer ainsi de façon conséquente l’organisation spatiale des particules et les performances énergétiques des matériaux synthétisés. Enfin, nous avons démontré la possibilité de contrôler les performances énergétiques des nanobiocomposites en maîtrisant leur microstructure grâce à l’ADN.

Mots-Clés / Keywords
Nanothermites; Colloïdes; Auto-assemblage par ADN; Nanoparticules d'Al; Nanoparticules de CuO; Colloids; DNA Self-Assembly; Al nanoparticles; CuO Nanoparticles;

138695
17021
13/01/2017

Conception et développement d'un micro détonateur électrique intégrant des nanothermites pour l’amorçage par impact d’explosifs secondaires

L.GLAVIER

NEO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Janvier 2017, 214p., Président: N.NOLHIER, Rapporteurs: G.BAUDIN, B.A.KHASAINOV, Examinateurs: F.JOUOT, L.RENAUD, Directeurs de thèse: C.ROSSI , N° 17021

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01483791

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Abstract

Pyrotechnic systems are the keys for satellite launching on orbit. Those systems are used for engines ignition, stage separation and self-destruction. To activate those functions, different kinds of initiators are used to generate a flame, pressure from gas expansion and a shock wave. This work involved following a previous thesis on the design of a smart and safe initiator able to generate a flame and pressure form gas expansion but not a shock wave which is essential in achieving certain functions on launcher as stage separation or neutralization. The initiator is controlled by digital controls, it contain local energy source, a mechanical safety barrier and a PyroMEMS for electro-pyrotechnical conversion. This initiator is design to replace Ariane 5 current pyrotechnic systems because they are heavy, bulky, they contain a large amount of pyrotechnic substance increasing the cost of manufacturing and storage. Also detonators and transmission lines contain lead banned by the European REACh. The goal of these thesis works is to design the detonator function from the flame generated by the PyroMEMS containing 50 µg of Al / CuO nanothermite in a volume less than 0,83 cm3 without primary explosive. After the study of secondary explosive priming methods and the state of art of existing detonators, we designed an architecture running on propelling a projectile creating a shock wave through impact. The development of this detonation function was used to study the behavior of different nanothermites (Al / CuO, Al / Bi2O3, Al / MoO3 and Al / PTFE) with a view to propel the projectile. An interior ballistic model is developed with the combustion nanothermite Al / Bi2O3 doped with PTFE to conclude that it is not possible to use nanothermites to ignite in detonation by impact, by a shock to Detonation Transition) a secondary explosive such as RDX. A propulsion system based on the combustion of RDX initiated by nanothermite is then developed with a study of the influence of dimensional parameters. Achieving a final demonstrator allows to ignite in detonation RDX demonstrates the feasibility of such a device and to validate design choices.

Résumé

Les systèmes pyrotechniques sont des éléments clés pour la réussite de la mise en orbite des satellites. Ils permettent de réaliser des fonctions vitales pour la phase de vol d'un lanceur spatial comme l'allumage des moteurs, la séparation d'étages ou la neutralisation. L'actionnement de ces systèmes pyrotechniques nécessite différents effets pyrotechniques comme la génération d'une flamme, d'une grande quantité de gaz et une onde de choc. Ces travaux de thèse interviennent à la suite d'une précédente thèse sur la conception d'un initiateur intelligent et sécurisés permettant de générer une flamme et une grande quantité de gaz mais pas une onde de choc, indispensable dans la réalisation de certaines fonctions pyrotechniques comme la séparation d’étages ou la neutralisation. L’initiateur est piloté par commandes numériques, il dispose d’un stockage local d’énergie, d’une barrière de sécurité mécanique, et d’un PyroMEMS permettant de convertir un signal électrique en un signal pyrotechnique. Cet initiateur est conçu pour remplacer les systèmes pyrotechniques actuellement utilisés sur Ariane 5 car ils sont lourds, encombrants, ils contiennent une grande quantité de substance pyrotechnique augmentant les coûts de fabrication et de stockage, pour finir, les détonateurs et les lignes de transmissions contiennent du plomb dont l’obsolescence est programmé par la règlementation Européenne REACh. L’objectif de ces travaux de thèse est de concevoir et de développer la fonction détonation à partir d’un PyroMEMS contenant moins de 50 µg de nanothermite Al / CuO dans un volume inférieur à 0,83 cm3. Après l’étude des méthodes d’amorçage d’explosif secondaire et de l’état de l’art des détonateurs existant, nous avons conçu une architecture fonctionnant sur la propulsion d’un projectile créant une onde de choc par impact. Le développement de cette fonction détonation a permis d’étudier le comportement de différentes nanothermites (Al / CuO, Al / Bi2O3, Al / MoO3 et Al / PTFE) dans l’optique de propulser le projectile. Un modèle de balistique intérieure est développé avec la combustion de nanothermite Al / Bi2O3 dopé avec du PTFE permettant de conclure qu’il n’est pas possible d’utiliser des nanothermites pour amorcer par impact un explosif secondaire tel que le RDX. Un système de propulsion basé sur la combustion du RDX initié par nanothermite est alors développé avec une étude de l’influence des paramètres dimensionnels. La réalisation d’un démonstrateur final qui permet d’amorcer en détonation du RDX démontre la faisabilité d’un tel dispositif et permet de valider des choix de conception.

Mots-Clés / Keywords
Balistique intérieure; Détonateur; Explosif secondaire; Nanothermites; PyroMEMS;

139022
16361
16/09/2016

Contribution à la détection de fragilité des structures en béton armé : « Méthodologies d'instrumentation à l'aide de capteurs piézoélectriques »

A.BELISARIO

NEO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 16 Septembre 2016, 186p., Président: R.FRANCOIS, Rapporteurs: F.PERES, C.TANOUGAST, Examinateurs: G.SOTO-ROMERO, Directeurs de thèse: J.Y.FOURNIOLS, T.CAMPS , N° 16361

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01417192

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Abstract

For several years the research team S4M focuses on a technological approach to SHM with the aim for monitoring of complex systems by intelligent sensors distributed: Smart Sensing. The S4M team led instrumentation complex structures work through the deployment of distributed monitoring systems and search for markers of aging by measuring and operating signals through deployed MEMS sensors. Different areas have already been addressed with the work conducted jointly with aircraft manufacturers. This research, conducted in partnership with the LMDC-INSA laboratory focuses on the concrete like material reinforced composite plates as heterogeneous structure requiring periodic or continuous monitoring. One of the challenges is to control preventive maintenance or oversizing trusted coefficients by providing a non-destructive testing method. Our research goal is to help in the search for a signature in the signals measured by piezo sensors in response to pulses generating propagation of mechanical waves reflecting an aging or damage to the beam structure of reinforced concrete.

Résumé

Depuis plusieurs années l'équipe de recherche S4M se concentre sur une approche technologique de la SHM avec pour objectif la surveillance de systèmes complexes par des capteurs intelligents distribués: le smart sensing. L’équipe S4M conduit des travaux d’instrumentation de structures complexes au travers du déploiement de systèmes de surveillance distribués et de recherche de marqueurs de vieillissement par la mesure et l’exploitation de signaux via des capteurs MEMS déployés. Différents domaines ont déjà été adressés avec des travaux conduits conjointement avec des constructeurs aéronautiques. Ce travail de recherche, effectué en partenariat avec le laboratoire LMDC de l’INSA se focalise sur le matériau de type béton renforcé par des plaques composites, comme structure hétérogène nécessitant une surveillance périodique et/ou continue. Un des enjeux est de contrôler la maintenance préventive ou le surdimensionnement par des coefficients de confiance en proposant une méthode de contrôle non destructif. Notre objectif de recherche est de contribuer dans la recherche d’une ou de signature(s) dans des signaux mesurés par des capteurs piezo en réponse à des impulsions générant la propagation d‘ondes mécaniques témoignant un vieillissement ou un endommagement de la structure poutre en béton armé. Dans un premier temps, nous avons mené cette recherche avec la fabrication d’un banc d’essai « indoor » pour la génération de signaux et l’exploitation de mesures relevées par différents types de capteurs MEMS en réponse aux propriétés de propagation d’ondes mécaniques. La propriété de bande passante assez étendue, nous a conduits à exploiter des capteurs piezo reportées directement sur la structure à surveiller ou bien au travers de plaques métalliques jouant le rôle de filtre. L'objectif des travaux est de rechercher dans l’exploitation temporelle, fréquentielle et SNR de signaux une méthode capable d’identifier une modification de réponse corrélée à la modification de la structure en réponse à un endommagement. Au terme de ce travail de recherche, les résultats obtenus par les algorithmes ou méthodes proposées pour le suivi de marqueurs et signatures temporelles et fréquentielles, montrent la validité de nos approches d’architectures électroniques dans la transductions des propriétés intrinsèques de la structure après de l’introductions de différents phases d’endommagement, ces approches mises en œuvre permettent d'engager dès à présent la phase de transfert des méthodes vers le développement d’architectures de contrôle de santé embarquées dédiées au génie civil.

Mots-Clés / Keywords
Béton armé; Chocs; Instrumentation; PHM; PZT; SHM; Smart sensing; Génie civil; Vibrations; Surveillance; Mechanical wave; Vibration; Civil engineering; Concrete beam; Monitoring;

138012
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