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RÉSUMÉ
Les avancées dans le domaine énergétique obligent à la création de nouvelles générations de matériaux énergétiques conçus pour les applications microsystèmes. Les nanotechnologies, avec les perspectives de maîtrise de la composition et de la structure à l’échelle nanométrique, arrivent à point pour répondre à cette attente. De ce fait, les voies d’amélioration des matériaux conventionnels, mais également celles de synthèse de matériaux nanocomposites thermiques sont nombreuses et prometteuses. Les observations ont établi que certaines des propriétés des matériaux énergétiques, comme la température d’initiation et la vitesse de combustion, sont fortement influencées par l’agencement et l’intimité de contact des constituants.
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INTRODUCTION
Jusque dans les années 1980-1990, les matériaux énergétiques étaient principalement employés dans les applications militaires, spatiales, et quelques applications civiles comme, par exemple, l'industrie minière.
Au début des années 1990, a émergé l'idée d'intégrer, sur les microsystèmes silicium, des matériaux énergétiques dans la perspective de disposer de micro-actionnements locaux dans des volumes extrêmement petits (inférieurs au mm3) et des forces relativement conséquentes (~ 0,1 N).
Aujourd'hui, les applications sont plus exigeantes et supposent de créer de nouvelles générations de matériaux énergétiques strictement conçus pour les applications microsystèmes : il faut assurer à la fois les performances énergétiques et la compatibilité technologique. Dans ce contexte, l'émergence des nanotechnologies ouvre, pour les matériaux énergétiques, de nouvelles perspectives encore inexplorées, celles de créer des matériaux très performants nanostructurés, c'est-à-dire où la composition et la structure sont maîtrisées à l'échelle nanométrique, sinon moléculaire. On peut espérer aussi créer des matériaux énergétiques à décomposition chimique et thermique contrôlées. Le champ à explorer est extrêmement vaste.
On peut ici utilement le réduire en considérant prioritairement les matériaux énergétiques déjà utilisés en microélectronique. Le dossier propose une exploration complète de l'apport potentiel des nanotechnologies dans le domaine des matériaux énergétiques intégrables, à partir des résultats des premiers travaux de recherche publiés.
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Différentes voies d'amélioration des matériaux conventionnels
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3. Matériaux énergétiques pour les applications microsystèmes
Traditionnellement, le choix des molécules ou des constituants d'un matériau énergétique est guidé par des calculs thermodynamiques et thermochimiques génériques visant à optimiser la chaleur de réaction et la température adiabatique de réaction. Cette méthodologie a montré son efficacité pour les matériaux énergétiques traditionnels (monomoléculaires et composites), et pour les applications macroscopiques.
Considérant ici l'intégration microsystème, le matériau énergétique ne peut plus être considéré isolément : il échange une part non négligeable de son énergie de réaction avec son environnement physique. Par exemple, de très bons matériaux énergétiques, comme le HMX, ne brûlent plus dans un tube d'acier de quelques mm de diamètre à la pression atmosphérique.
Ainsi, des précautions doivent être prises en compte pour concevoir un nouveau matériau énergétique capable de garder des performances énergétiques en couche mince, ou dans des volumes sous-millimétriques. En pratique, cela suppose que la chaleur de réaction soit maximale et que la vitesse de réaction à pression atmosphérique soit la plus rapide possible pour minimiser l'influence des pertes thermiques dans l'environnement.
3.1 Apport de la nanostructuration
Pour les matériaux composites, la contribution de la vitesse de diffusion des espèces doit être évaluée précisément car c'est un facteur limitant de la vitesse de réaction.
Un raisonnement simple permet d'estimer la taille des particules (granulométrie) en dessous de laquelle les phénomènes de diffusion de masse pourraient être négligés, car ils seraient bien plus rapides que la progression du front thermique. Pour cela, on considère une particule sphérique d'un élément réducteur recouverte d'une fine couche d'oxydant qui brûle perpendiculairement à la surface et suivant la loi :
Suivant cette loi et avec une constante K de 1,5 mm2/s (valeur choisie volontairement relativement faible), des particules ayant un diamètre < 100 nm seraient consommées en 0,01 μs. Ce temps est suffisamment court, comparé au temps...
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BIBLIOGRAPHIE
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