Élaboration de nanofils magnétiques de cobalt-nickel par voie polyol : mise à l'échelle du procédé et consolidation par le procédé frittage flash SPS

The main objective of this PhD work is to produce nanostructured bulk from anisotropic nanomaterials alloysbased on 3d transition elements (Co and Ni). For using these nanomaterials on an industrial scale, we haveextrapolated the synthesis method (polyol process) from laboratory scale to pilot scale. First, we showed that byvarying the parameters synthesis in laboratory scale we can control not only the morphology but also the size andthe size distribution of the nanoparticles. Indeed, spheres with diameter of 10 nm and nanowires with meanlength of 260 nm and a diameter of 7 nm were obtained for a stoichiometry Co80Ni20. The key parameters of thissynthesis are the concentration of the sodium hydroxide, the nucleation rate, the agitation and the appliedexternal magnetic field. The choice of suitable mixing system for a given geometry of the reactor also has animportant role for the control of the size and shape of the nanowires. When a six-bladed Rushton turbine wasused, shorter nanowires with unconventional small conical-shaped heads and a higher coercive field wereobtained, confirming a strong relationship between flow patterns and nanowire growth. Moreover, numericalresolution of Navier-Stocks equations that govern the transport of matter and quantity of movement in anagitated fluid allowed us to obtain a correlation between turbulent energy dissipation profiles and nanoparticlesize measured experimentally. Magnetic studies revealed a narrow relationship between the magnetic propertiesand the shape of nano-objects. The large-scale synthesis has produced 25 grams of cobalt-nickel nanowires perbatch. Thanks to the SPS sintering process, we have successfully elaborated nanostructured bulk materials.Whereas nanofils show high coercive field and low saturation magnetization, dense materials produced at hightemperatures behave as soft ferromagnetic materials (low coercivity) but show high saturation magnetizationvery close to that expected. The best coercivities are obtained with the bulk nanostructured material using SPSassisted by a permanent magnetic field. This magnetic field succeeded to align the nanowires during sintering.The mechanical behavior of the nanostructured materials depends mainly on the grain size. Hardness andmechanical resistance increase when the grain size decreases in agreement with the Hall-Petch relationship.L’objectif principal de ce travail est de produire des pièces massives nanostructurées à partir des nanomatériauxd’alliages anisotropes à base des éléments de transition 3d (Co et Ni). Afin d’utiliser ces nanomatériaux àl’échelle industrielle, nous avons extrapolé la méthode de synthèse de l’échelle du laboratoire (procédé polyol) àl’échelle pilote. Tout d’abord, nous avons montré qu’en variant les paramètres de synthèse à l’échelle delaboratoire, nous pouvons contrôler non seulement la morphologie mais aussi la taille et la distribution de tailledes nanoparticules. En effet, des sphères de diamètre 10 nm et des nanofils de longueur 260 nm et de diamètre 7nm ont été obtenus pour la stoechiométrie Co80Ni20. Les paramètres clés de cette étude sont la concentration dela soude, le taux de l'agent nucléant, la vitesse d’agitation et le champ magnétique externe appliqué. Le choix dusystème de mélange approprié pour une géométrie du réacteur donnée a également un rôle important dans lecontrôle et la maîtrise de la taille et la forme des nanofils. Avec une turbine Rushton à six pâles droites, nousavons obtenu des nanofils plus courts avec de plus petites têtes coniques et une forte coercitivité. Par ailleurs, larésolution numérique des équations de Navier-Stocks qui gouvernent le transport de matière et de la quantité demouvement dans un fluide agité a permis d’obtenir une corrélation entre les profils d’énergie turbulente dissipéeet la taille des nanoparticules mesurée expérimentalement. Les études magnétiques montrent que les propriétésmagnétiques des nanofils sont intimement liées à leur forme et à leur taille. La synthèse à grande échelle apermis de produire 25 grammes de nanofils de cobalt-nickel par batch. Grâce au procédé de frittage SPS, nousavons élaboré avec succès des matériaux massifs nanostructurés à partir de la poudre formée des nanofils. Alorsque les nanofils présentent des champs coercitifs élevés et des aimantations relativement faibles, les matériauxdenses consolidés par SPS possèdent les caractéristiques d’un ferromagnétisme doux (faible champ coercitif)mais une aimantation à saturation élevée proche de celle attendue. Des champs coercitifs meilleurs sont obtenusavec le matériau dense nanostructuré élaboré en présence d’un champ magnétique permanent. Ce champmagnétique a permis un meilleur alignement des nanofils au cours du frittage. Le comportement mécanique desmatériaux nanostructurés dépend essentiellement de la taille des grains. La dureté et la résistance mécaniqueaugmentent quand la taille des grains diminue conformément à la relation de Hall-Petch