Thermal and electrical properties of composites based on carbon nanotubes and its application to gas detection

Les nanomatériaux suscitent depuis quelques décennies de plus en plus d’intérêt tant sur le plan des études fondamentales que sur celui des applications. Parmi ces nouveaux matériaux, les nanotubes de carbone ont attiré beaucoup d’attention au sein de la communauté scientifique à cause de leurs propriétés physiques remarquables. Les travaux présentés dans cette thèse, concernent l’élaboration et la caractérisation de composites solides à base de nanotubes de carbone. Le choix des matériaux s’est porté sur une matrice solide à base de Bromure de Potassium (KBr) et des nanotubes de carbone mono et multifeuillets (SWNT, MWNT). L’étude de ces composites concerne deux aspects : dans un premier temps, l’effet de la charge et de la nature des nanotubes de carbone sur les propriétés électriques et thermiques ont été étudiés. L’étude des propriétés thermiques a été réalisée à l’aide d’une technique photothermique, la photoacoustique, qui présente un grand avantage pour ce type de composites. L’évolution des propriétés thermiques en fonction de la charge a montré un comportement atypique, une augmentation puis une diminution, avec un maximum autour de 2% de charge en nanotubes. Un modèle physique permettant de décrire cette évolution a été proposé. Concernant les propriétés électriques, cette étude a permis de mettre en évidence le phénomène de percolation et d’en déterminer le seuil. Dans un deuxième temps, l’étude a porté sur l’influence du gaz environnant sur les propriétés thermiques et électriques, et sur l’éventuelle utilisation de ces composites comme capteurs de gaz. La caractérisation thermique en présence d’éthanol n’a pas permis de mettre en évidence un changement notable des propriétés thermiques des composites. En revanche, la caractérisation électrique a montré une bonne réponse à ce gaz. L’évolution de la sensibilité en fonction de la charge en nanotubes dans les composites a montré une augmentation pour des charges inférieures à 4% et une stabilisation au-delà. L’influence d’autre gaz comme le dioxyde d’azote et le toluène a été aussi étudié. La réponse électrique au dioxyde d’azote a montré une forte interaction du gaz avec les composites. La réponse au toluène n’a pas montré d’influence de ce gaz sur les propriétés électriques des composites à base de SWNT, cependant, dans le cas des composites à base de MWNT, une réponse électrique comparable à celle de l’éthanol a été observée.In the recent decades, nanomaterials arouse a growing interest both in their fundamental studies and in their applications. Among these new materials, carbon nanotubes have attracted much attention within the scientific community because of their remarkable physical properties.The work presented in this thesis, involve the preparation and characterization of solid composites based on carbon nanotubes. A solid matrix containing potassium bromide (KBr) and carbon nanotubes, single and multiwalled (SWNT, MWNT) was chosen. The study of these composites involves two aspects: initially, the effect of the loading fraction and the nature of carbon nanotubes on the electrical and thermal properties were investigated. The study of thermal properties was carried out by a photothermal technique, the photoacoustic, which offers great advantages for this type of composites. The evolution of thermal properties according to the loading fraction of nanotubes showed an atypical behavior, an increase followed by a decrease, with a maximum around 2% of nanotubes loading fraction. A physical model describing this evolution has been proposed. Regarding the electrical properties, this study has highlighted the phenomenon of percolation and allowed the determination of the percolation threshold. In a second step, the study focused on the influence of surrounding gas on the thermal and electrical properties, and the possible use of these composites as gas sensors. The thermal characterization with ethanol did not reveal a significant change in thermal properties of composites. However, the electrical characterization showed a good response to this gas. The evolution of the sensitivity depending on the nanotubes loading fraction in the composites showed an increase for loads below 4% and a stabilization beyond this value. The influence of other gases such as nitrogen dioxide and toluene were also studied. The electrical response to nitrogen dioxide showed a strong interaction of the gas with composites. The response to toluene did not show any influence of this gas on the electrical properties of SWNT-based composites, however, in the case of MWNT-based composite, an electrical response similar to that of ethanol was observed