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La nanotechnologie est définie comme étant l’ensemble des théories, des techniques, des mécanismes et des réalisations qui visent à produire et manipuler des objets de tailles comparables à celles des molécules et des atomes de longueur caractéristique de l’ordre de quelques nanomètres. Ainsi, la technologie sollicite les nanomatériaux dans plusieurs domaines allant du magnétisme à l’optique en passant par la chimie, la mécanique, etc. Les nanomatériaux sont constitués d’un assemblage de particules nanométriques dont la taille est inférieure à 100 nm. Ils se présentent sous diverses formes selon la dimensionnalité et sont caractérisés par la présence d’une fraction d’atomes associés à une zone interfaciale avec un arrangement désordonné appelé communément joint de grain dans le cas des poudres nanostructurées. La particularité de ces matériaux est qu’ils présentent des propriétés fondamentales nouvelles, par comparaison à celles des matériaux massifs. Le comportement des particules nanométriques apparait plus sensible aux perturbations extérieures telles que l’influence magnétique des particules voisines ainsi que l’influence du champ extérieur par rapport à celui d’un matériau massif. Ces propriétés spécifiques découlent, notamment, du grand nombre d’atomes appartenant aux surfaces (nanoparticules), aux interfaces (multicouches, nanocristallins) et aux joints de grains (poudres nanostructurées) résultant de leur très faible taille (nanométrique). Les nanomatériaux peuvent être synthétisés soit, en décomposant les matériaux à gros grains en des dimensions de plus en plus petites soit en assemblant des atomes, des molécules ou des agrégats. L’élaboration de ces matériaux repose sur trois grandes méthodes : voie physique, voie chimique et procédés mécaniques tels que le broyage mécanique haute énergie qui constitue la technique d’élaboration utilisée dans notre travail.
Le broyage mécanique haute énergie est un mode d’élaboration puissant et hors équilibre qui permet la production des alliages nanostructurés à partir d’un mélange de poudres élémentaires. Il peut contribuer à l’amélioration de certaines propriétés mécaniques, thermiques et magnétiques. Ces dernières peuvent être améliorées lorsque la taille des grains est réduite à l’échelle nanométrique, alors que la présence de contraintes et de défauts introduits lors du processus du broyage peut altérer le comportement magnétique. La propriété magnétique globale est une compétition entre la diminution de la taille des grains et l’augmentation de la contrainte. Ainsi, les propriétés magnétiques intrinsèques des nanoparticules dépendent fortement de la taille des cristallites tandis que les propriétés extrinsèques sont corrélées aux interactions dipolaires.
Nanomatériaux
Les nanomatériaux ont suscité un grand intérêt dans les récentes recherches en tant que matériaux structuraux, légers, prometteurs avec un large potentiel d’applications industrielles. En raison de leurs très petites dimensions, les matériaux nanocristallins présentent une structure fine et une grande fraction de volume des joints de grains, ce qui améliore considérablement leurs propriétés physiques, chimiques et mécaniques par rapport à leurs homologues polycristallins à gros grains. La partie importante de leur microstructure consiste en des interfaces à haute densité, avec une fraction substantielle d’atomes résidant aux joints de grains.
La caractéristique commune des matériaux nanostructurés est la variation, à l’échelle nanométrique (de quelques nm jusqu’à des dizaines de nm), d’au moins un des paramètres microstructuraux (dimension, taille des grains, composition chimique, densité atomique, orientation cristallographique). Les dimensions recherchées sont en général inférieures à 100 nm, car c’est dans cette gamme de dimension que diverses propriétés commencent à évoluer de manière significative en raison d’un certain nombre d’effets liés au confinement. Les matériaux nanostructurés sont synthétisés par une large variété de méthodes et peuvent être classés en fonction de diverses caractéristiques (Kumar et Kunbhat 2016 ; Tiwari, et al. 2012 ; Megeswari, et al. 2016 ; Buzea, et al. 2017). Ces dernières changent en fonction de la méthode d’élaboration utilisée.
Les récentes recherches suggèrent que la taille, la distribution de taille et les propriétés de surface des particules sont des facteurs fondamentaux pour comprendre le comportement des nanomatériaux. Ainsi, ils peuvent être considérés comme les bases de la classification des nanomatériaux. Par ailleurs, la planéité, la sphéricité et le rapport d’aspect sont des caractéristiques morphologiques qui sont prises en compte pour la classification des nanomatériaux. Une classification générale entre les particules à fort et faible allongement peut être expliquée comme suit (Ahmad, et al, 2016) :
♦ Les nanotubes et nanofils, avec diverses formes telles que des hélices, des zigzags, des ceintures, ou peut-être des nanofils dont le diamètre varie avec la longueur et qui sont classés dans la catégorie des nanomatériaux à facteur de forme élevé.
♦ Les petites morphologies qui sont : cubique, sphérique, ovale, hélicoïdale, pilier ou prisme.
Les nanomatériaux peuvent être également classés selon la composition car ils peuvent être composés d’un seul matériau constitutif ou être un composite de plusieurs matériaux. Les matériaux à composition unique sont rarement trouvés dans la nature, ils sont synthétisés par diverses méthodes. Ce sont généralement des agglomérations de matériaux de compositions variées. Sur la base de la composition des phases, les nanomatériaux peuvent être classés comme suit (Ahmad, et al, 2016) :
♦ Les solides monophasés : ils peuvent être cristallins, des particules, des couches amorphes, etc.
♦ Les solides multiphasés : ils comprennent des composites matriciels, des particules enrobées, etc.
♦ Les systèmes multiphasiques : ils comprennent des colloïdes, des gels aérosols, des fluides ferreux, etc.
Propriétés des nanomatériaux
Les nanomatériaux possèdent des caractéristiques structurales qui se situent entre celles des atomes et des matériaux massifs. Les propriétés des matériaux ayant des dimensions nanométriques sont significativement différentes de celles des matériaux à gros grains. Ceci est principalement dû à la taille nanométrique des matériaux qui entraine : (i) une grande fraction d’atomes en surface ; (ii) une énergie de surface élevée ; (iii) un confinement spatial et (iv) des imperfections réduites, qui n’existent pas dans les matériaux massifs qui leur correspondent.
En raison de leurs petites dimensions, les nanomatériaux ont un rapport surface/volume extrêmement important, ce qui fait d’eux des atomes de surface ou d’interface importants entraînant, ainsi, des propriétés de matériau dépendantes de la surface. En particulier, lorsque les dimensions des nanomatériaux sont comparables à la longueur, tout le matériau sera affecté par les propriétés de surface. Cela peut, à son tour, améliorer ou modifier les propriétés des matériaux massifs. Par exemple, des nanoparticules métalliques peuvent être utilisées comme catalyseurs très actifs. Les capteurs chimiques issus des nanoparticules et des nano fils ont amélioré la sensibilité et la sélectivité des capteurs. Les tailles nanométriques des nanomatériaux ont également un effet de confinement spatial sur les matériaux qui apportent les effets quantiques.
Réduire les défauts dans les nanomatériaux est également un facteur important dans la détermination de leurs propriétés. Les nanostructures et nanomatériaux favorisent un processus d’auto-purification des impuretés et des défauts intrinsèques qui se déplaceront près de la surface lors d’un recuit thermique. Cette amélioration affecte les propriétés des nanomatériaux. Par exemple, la stabilité chimique de certains nanomatériaux peut être améliorée. Les propriétés mécaniques des nanomatériaux seront également meilleures que celles des matériaux massifs. Les propriétés mécaniques supérieures des nanotubes de carbone sont bien connues en raison de leur taille nanométrique.
Applications des nanomatériaux
Toutes les grandes familles des nanomatériaux tels que les métaux, les céramiques, les diélectriques, les oxydes magnétiques, les polymères, les carbones…etc, permettent des innovations dans de nombreux secteurs d’activité tels que : la santé, l’automobile, l’électronique, l’environnement ou encore la défense.
Nanomagnétisme
Le magnétisme dans les nanomatériaux (également appelé nanomagnétisme) est l’une des disciplines scientifiques à la pointe des domaines émergents de la nanoscience et de la nanotechnologie. Les récents progrès dans les croissantes techniques des nanomatériaux et les outils d’observation du magnétisme ont suscité un énorme intérêt dans les nanostructures magnétiques pour les explorations fondamentales ainsi que pour diverses applications potentielles. Les nanoparticules des matériaux magnétiques ont des moments magnétiques par atome et une anisotropie magnétique différents de ceux de leurs équivalents massiques. La taille d’une nanoparticule magnétique est si petite qu’elle ne peut contenir qu’un seul domaine au lieu d’un grand nombre de domaines dans un alliage massique classique. En raison de ce domaine unique, une nanoparticule magnétique peut avoir un superparamagnétisme où le spin d’une nanoparticule entière s’inverse sous un champ de perturbation externe. Le magnétisme dans les nanomatériaux peut être manipulé via la taille et la croissance de structures artificielles qui n’existent pas dans la nature.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Etude bibliographique
I.1 Nanomatériaux
I.1.1 Propriétés des nanomatériaux
I.1.2 Applications des nanomatériaux
I.2 Nanomagnétisme
I.2.1 Classification des matériaux magnétiques
I.2.1.1 Matériaux diamagnétiques
I.2.1.2 Matériaux paramagnétiques
I.2.1.3 Matériaux ferromagnétiques
I.2.1.4 Matériaux antiferromagnétiques
I.2.1.5 Matériaux ferrimagnétiques
I.2.2 Propriétés des matériaux magnétiques
I.2.3 Classification des matériaux ferromagnétiques
I.3 Broyage mécanique haute énergie
I.3.1 Principe du broyage
I.4 Amorphisation par broyage mécanique
I.5 Effet magnétocalorique
I.5.1 Théorie de base
I.5.2 Caractérisation des matériaux magnétocaloriques
I.5.2.1 Changement de la température adiabatique (ΔTad) et de l’entropie magnétique (ΔSM)
I.5.2.2 Puissance de refroidissement relatif
I.5.3 Transition de phase magnétique de premier et deuxième ordre dans les matériaux magnétocaloriques
I.6 Système Fe-Nb-B
I.6.1 Diagramme d’équilibre Fe-B
I.6.2. Les nanoperm Fe-Nb-B
Chapitre II : Techniques expérimentales
II.1 Préparation des poudres
II.2 Caractérisation des poudres broyées
II.2.1 Microscopie électronique à balayage (MEB)
II.2.2 Spectroscopie d’énergie dispersive (EDS)
II.2.3 Diffraction de rayons X
II.2.3.1 Méthode d’affinement des diffractogrammes X
II.2.4 Spectrométrie Mössbauer
II.2.4.1 Facteur f (facteur Debye Waller)
II.2.4.2 Action de l’environnement sur les niveaux nucléaires
II.2.5 Mesures magnétiques
II.2.6 Calorimétrie différentielle programmée
Chapitre III : Etude structurale et microstructurale
III.1 Analyse morphologique
III.2 Analyse par diffraction de rayons X (DRX)
III.2.1 Etude structurale
III.2.2 Etude microstructurale
III.2.3 Proportions relatives des phases
III.3 Conclusion
Chapitre IV : Propriétés magnétiques, magnétocaloriques et thermiques
IV.1 Analyse hyperfine
IV.1.1 Analyse des spectres Mössbauer
IV.1.2 Distribution des champs hyperfins
IV.1.3 Paramètres hyperfins moyens <B>, <DI>
IV.2 Propriétés magnétiques
IV.2.1 Cycles hystérésis
IV.2.1.1 Champ coercitif
IV.2.1.2 Aimantation à saturation
IV.2.1.3 Aimantation rémanente réduite
IV.2.2 Cycles d’hystérésis à différentes températures
IV.2.2.1 Champ coercitif
IV.2.2.2 Aimantation à saturation
IV.2.3.3 Aimantation rémanente réduite
IV.2.3 Analyse thermomagnétique M-T
IV.3 Effet magnétocalorique
IV.4 Comportement critiques
IV.4.1Tracés d’Arrott
IV.4.2 Tracés d’Arrott-Noakes ou Arrott modifiés
IV.4.3Tracés de Kouvel-Fisher
IV.4.4 Isotherme critique
IV.4.5 Comportement d’échelle
IV.5 Analyse thermique
IV.6 Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
