Caractérisation des poudres n-Si 0.8 HA

Le diagramme de diffraction des rayons X des poudres n-Si0.8HA frittées à 1000 °C pendant 6 heures sous une atmosphère d’azote est présenté sur la figure IV-1.

Cette analyse a été réalisée dans le but de déterminer d’éventuels effets de l’azote sur la stabilité structurale des poudres n-Si0.8HA.

Figure IV-1: Spectre de diffraction des rayons X des poudres n-Si0.8HA frittées à 1000 °C pendant 6 heures sous atmosphère d’azote

Le diffractogramme obtenu présente une seule phase cristalline, caractéristique d’une structure apatitique dont la majorité des pics appartiennent à la fiche PDF N° 9432. L’allure des pics indique que les poudres sont bien cristallisés. Il n'existe aucun signe de présence de phases secondaires tels que la chaux CaO ou bien le phosphate tricalcique β (βTCP,

20 25 30 35 40 45 50 55 60

Intensité (u.a.)

120

βCa3(PO4)2), ce qui indique une absence de tout phénomène de déshydroxylation de n- Si0.8HA.

Il apparaît que l’usage de l’azote comme atmosphère inerte lors du frittage de n-Si0.8HA, n’avait aucune influence sur la stabilité structurale des poudres.

III.2. Caractérisation des nanotubes de carbone

III.2.1. Etude morphologique

Le cliché de microscopie MET des nanotubes de carbone c-MWNTs est présenté sur la figure IV-2 (a). Il est évident que les nanotubes sont fortement enchevêtrés et ont tendance à s’agglomérer en raison des interactions de type Van der Waals. On peut aussi observer la présence de nanoparticules métalliques résidus de catalyseurs. Il est clair qu’une purification est nécessaire afin d’éliminer le reste du carbone amorphe et des impuretés métalliques, ainsi qu’une fonctionnalisation afin d’assurer une bonne dispersibilité des nanotubes de carbone dans l’éthanol.

Figure IV-2: Images TEM des c-MWNTs

(a), des o-MWNT à différents arrondissement (b) et (c)

Les images MET des nanotubes de carbone o-MWNTs sont présentées sur les figures IV-2 (b) et (c). Les observations mettent en évidence des nanotubes de carbone très bien dispersés. Il est clair que la majorité du carbone amorphe et des impuretés métalliques ont été

(a)

(b)

(c)

200 nm 200 nm

121

complètement éliminés. La figure IV-2 (c) illustre des nanotubes creux et individuellement séparés les uns des autres. Ces nanotubes présentent une forme tubulaire d’environ 8 à 28 nm de diamètre. Il est clair que ces nanotubes de carbone ont demeuré intacts et préservent leur intégrité structurale. La purification des nanotubes de carbone par attaque biacide s’avère efficace pour l’élimination de la majorité des impuretés.

La figure IV-3 présente une image de dispersion dans l'éthanol (0,5mg/mL) de c-MWNTs (figure IV-3(a)) et de o-MWNTs (figure IV-3(b)) après un jour de repos. Il est clair que les c- MWNTs sont insolubles dans l'éthanol et ont tendance à s'agglomérer. Cependant, les o- MWNTs sont très bien dispersés dans l'éthanol. Ces résultats sont en accord avec les images de microscopie MET décrites précédemment et confirment une dispersion efficace des o- MWNTs dans l’éthanol, par fixation de groupements fonctionnels lors de l’attaque biacide.

Figure IV-3: Images de dispersions dans l’éthanol de c-MWNTs (a) et de o-MWNTs (b)

après une journée de repos

III.2.2. Analyse thermogravimétrique

Les analyses thermogravimétriques effectuées sous air, ont montré une stabilité thermique des c-MWNTs (figure IV-4(a)) jusqu’à une température avoisinant 560 ºC, au-delà de laquelle ils commencent à se décomposer.

L’analyse des c-MWNTs révèle une perte de masse totale de 93 % ainsi que la présence d’un résidu inorganique à la fin de l’analyse. Ce dernier qui représente 7 % de la masse total des c- MWNTs, pourrait être attribué aux catalyseurs métalliques initialement présents au niveau des c-MWNTs.

La figure IV-4 compare respectivement les comportements thermiques des o-MWNTs sous air (b) et sous une atmosphère inerte d'azote (c).

122

L’analyse des o-MWNTs sous air présente la même allure que celle des c-MWNTs. En effet les o-MWNTs se dégradent totalement à une température de 600°C. Une perte de masse totale estimée à 99 % de la masse initiale des o-MWNTs a été observée. Aucun résidu métallique n’a été observé; ce qui confirme une purification efficace des c-MWNTs par élimination de la totalité des particules métalliques lors de l’attaque biacide (acide chlorhydrique et acide nitrique).

Cependant, le profil thermogravimétrique des o-MWNTs étudiés sous une atmosphère d’azote est tout à fait différent. Les o-MWNTs sont beaucoup plus stables sous cette atmosphère et peuvent subsister à des températures supérieures à 950 °C. La perte de masse totale obsérvée dans l’intervalle de température compris entre l’ambiante et 1000 ° C est d'environ 2% de la masse initiale des o-MWNTs. Cette faible perte de masse peut être attribuée au départ des groupements hydroxyles et carboxyles situés sur la surface externe des o-MWNTs.

Ce résultat indique qu’il est plus judicieux d’utiliser une atmosphère inerte lors du frittage des composites n-Si0.8HA/o-MWNTs, afin d’assurer la persévération des o-MWNTs au niveau de la matrice céramique n-Si0.8HA.

Figure IV-4: Courbes des analyses thermogravimétriques des: c-MWNTs sous air (a), des o-

MWNTs sous air (b) et sous atmosphère d’azote (c)

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 95 96 97 98 99 100 Perte de m asse (%) (c) (b) (a) Temperature (°C) Perte de m asse (%) 0 20 40 60 80 100

123 III.2.3. Analyse spectroscopique

L’analyse des fonctions localisées sur la surface des nanotubes de carbone a été effectuée par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier. Les spectres IRTF obtenus sont présentés sur la figureIV-5.

Le spectre IRTF des c-MWNTs, montre la présence de deux bandes de transmittance situées à 3424 et 1043 cm1, qui marquent respectivement la présence de groupements carboxyles (CO2H) et hydroxyles (OH), localisés au niveau de la surface des nanotubes. D'autres bandes moins intenses apparaissent également et sont caractéristiques des groupements (CH2), (C=O) et (CO).

La présence de groupements fonctionnels carboxyle (CO2H) et hydroxyle (OH) au niveau des c-MWNTs, provient probablement de l'humidité atmosphérique ambiante ou bien d’une oxydation au cours du processus de purification chez le fournisseur [256,257].

Le spectre IRTF des o-MWNTs expose pratiquement les mêmes bandes observées dans le cas des c-MWNTs, avec une augmentation des intensités des bandes, en particulier celles qui sont caractéristiques des groupements carboxyliques (CO2H) et hydroxyles (OH).

Figure IV-5: Spectres IRTF des c-MWNTs (a) et des o-MWNTs (b)

Toutes ces observations confirment une fonctionnalisation réussie des c-MWNTs lors du traitement biacide. 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 T ra n sm it ta n ce ( u .a .) -CH 2- OH C-O C=O (a) (b) Nombre d'onde (cm-1) -CO 2H OH

124 III.2.4. Analyse structurale

Le diagramme de diffraction des rayons X des o-MWNT, présenté sur la figure IV-6(a), expose deux pics localisés à 2θ égale à 26,4 ° et 42,6 °. Les pics sont identifiés selon le PDF Card N° 23‐0064 et sont caractéristiques de la diffraction des rayons X selon les plans (002) et (100) du carbone. Il s’agit d’une structure cristallographique hexagonale, caractéristiques des feuillets de carbone graphite constituant les nanotubes de carbone o-MWNT [258].

Les o-MWNT présentent des pics larges et intenses, ce qui témoigne d’une très faible épaisseur des nanotubes, ainsi que d’une structure graphitique très bien ordonnée.

Figure IV-6: Spectres de diffraction des rayons X des o-MWNTs (a), du composite

composites n-Si0.8HA/o-MWNTs (3 wt %) fritté à 1000°C pendant 6 heures sous air (b) et sous azote (c)