Fabrication of a 3D architecture carbon - copper composite and its electrical and mechanical characterizations
Fabrication et caractérisations électriques et mécaniques d'un composite cuivre - carbone à architecture 3D
Résumé
The aim of this thesis is to study the electrical and mechanical properties of copper-graphene composites. The scientific literature has shown, both experimentally and numerically, that it is possible to dop electrical properties with graphene, provided that a monolayer or even a bilayer of graphene is present at the interface with the copper. However, this was only achieved using a process that produced an anisotropic material. This process involved depositing graphene on micrometre-thick sheets of copper, stacking them and then hot-pressing them. Other processes have been developed to obtain graphene at grain boundaries by sintering powders previously coated with graphene. Similarly, the mechanical properties of a copper/graphene composite are improved by the carbon blocking dislocations at the grain boundaries. Combining copper and carbon to produce a material that improves the mechanical and electrical properties of copper is a complex task. Carbon is virtually insoluble in copper.So we need to be able to master a process that can produce a dense, isotropic material that improves both electrical and mechanical properties. There is a wealth of manufacturing processes in the scientific literature. The one chosen for this project was powder metallurgy. A micrometric copper powder is coated with a precursor containing carbon, in this case sucrose. Two approaches have been used, the first involving coating raw particles with an oxide layer and the second involving coating particles after first reducing the oxide. This coated powder is then burnt in an optimised atmosphere of argon and hydrogen. The powder obtained is finally sintered to produce the composite. The resulting composite is then studied using standard metallurgical techniques such as scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), electron energy loss spectroscopy (EELS), X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy to characterise the carbon. All these techniques are aimed at understanding the interaction between copper and its carbon reinforcement.
Cette thèse vise à l'étude des propriétés électriques et mécaniques des composites cuivre - graphène. La littérature scientifique a montré, expérimentalement et numériquement, que le dopage des propriétés électriques par le graphène, à condition d'avoir une monocouche voire une bicouche de graphène à l'interface avec le cuivre, était possible. Or cela n'a été fait qu'en utilisant un procédé donnant un matériau anisotrope. Ce procédé consistait à déposer du graphène sur des feuillets de cuivre d'épaisseur micrométrique, de les empiler puis de les presser à chaud. D'autres procédés ont été développés afin d'obtenir du graphène aux joints de grains en frittant des poudres préalablement recouvertes de graphène. De la même manière, les propriétés mécaniques d'un composite cuivre/graphène sont améliorées par blocage des dislocations par le carbone aux joints de grains. Allier cuivre et carbone dans le but de fabriquer un matériau qui améliore les propriétés mécaniques et électriques du cuivre est chose complexe. En effet, le carbone est pratiquement insoluble dans le cuivre.Il faut donc pouvoir maitriser un procédé qui puisse donner un matériau dense et isotrope qui améliore à la fois les propriétés électriques et mécaniques. Il existe une foison de procédés de fabrication dans la littérature scientifique. Celle retenue pour ce projet a été la fabrication via la métallurgie des poudres. Pour cela, une poudre micrométrique de cuivre est enrobée d'un précurseur contenant du carbone, ici du saccharose. Deux approches ont été abordées, la première en enrobant les particules brutes qui possèdent une couche d'oxyde et une seconde en enrobant les particules après avoir préalablement réduit l'oxyde. Cette poudre enrobée est ensuite brûlée sous atmosphère optimisée faite d'argon et d'hydrogène. La poudre obtenue est finalement frittée afin d'obtenir le composite. Le composite ainsi obtenu est ensuite étudié en utilisant les techniques usuelles en métallurgie telles que la microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie électronique en transmission (MET), Spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS), la diffraction des rayons X (DRX), la spectroscopie Raman pour la caractérisation du carbone. Toutes ces techniques visent à la compréhension de l'interaction entre le cuivre son renfort carboné.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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