Aluminum matrix nanocomposites for applications in automobile industry - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Aluminum matrix nanocomposites for applications in automobile industry

Nanoparticules dans des matrices métalliques pour des applications en automobiles

Résumé

This PhD work is dedicated to the synthesis of metal matrix nanocomposites for automotive applications, by dispersing functional nanoparticles in an aluminum matrix by liquid metallurgy to improve mechanical and thermal regulation properties. After a bibliographic study to set the context, we describe the preparation of the initial nanoparticles as building blocks, especially core-shell Bi@SiO2 nanoparticles with low melting point. Then, several dispersion methods are explored to find the best conditions for the particle’s incorporation, which relies on ultrasonication in the molten matrix during induction heating. We then prepare nanocomposites combining Al-based matrices with SiC or HfB2 nanoparticles, to improve mechanical properties. Electron microscopy study reveals segregation of the nanoparticles at grain boundaries. Nanoindentation and microindentation measurements enable the quantification of the hardness at the microscopic scale, showing a heterogeneity of mechanical properties, with higher hardness at the grain boundaries that are concentrated in nanoparticles. We then explore the fabrication of phase change nanocomposites by incorporating in aluminium the above described Bi@SiO2 particles. An electron microscopy study of the Al/nanoparticle interface sheds light on reaction mechanisms during the incorporation. The silica shell partially protects the nanoparticles against coalescence during the ultrasonic treatment in molten aluminum. We then assessed the role of the inclusion size on the melting point of Bi, evidencing a decrease of the melting point with the particle size. By this method, we could then widen the phase transition temperature range to achieve progressive heat absorption with the increase of the battery temperature.
Ce travail porte sur l’élaboration de nanocomposites à matrices métalliques pour des applications automobiles. Le procédé de fabrication repose sur la dispersion de nanoparticules ayant des capacités de renforcement ou d’absorption de chaleur dans un métal par métallurgie liquide. Après une étude bibliographique pour situer le sujet, le manuscrit porte d’abord sur l’élaboration des nanoparticules comme briques élémentaires, en particulier des particules cœur-coquille Bi@SiO2 à bas point de fusion. Ensuite, plusieurs méthodes sont étudiées pour trouver les meilleures conditions d’incorporation des particules, qui reposent sur le couplage entre le chauffage à induction et le traitement ultrasons dans la matrice fondue. Des nanocomposites combinant des matrices à base d’aluminium et des nanoparticules de SiC ou de HfB2 sont ainsi fabriqués pour renforcer les propriétés mécaniques. La microscopie électronique révèle la ségrégation des particules aux joints de grains. Les mesures de nanoindentation et de microindentation permettent de quantifier la dureté à l’échelle microscopique, révélant ainsi une hétérogénéité des propriétés mécaniques entre les grains et les joints de grains, plus durs en raison de leur forte concentration en particules. Enfin, des nanocomposites métalliques à changement de phase sont élaborés en dispersant dans l’aluminium les particules Bi@SiO2 préalablement synthétisées. L’étude par microscopie électronique de l’interface particules/matrice met en évidence les mécanismes d’incorporation. La coquille de silice protège partiellement les particules de bismuth de la coalescence lors du traitement ultrasons, permettant un abaissement de leur point de fusion. Grâce à cette méthode, nous pourrions élargir la plage de température de transition pour obtenir une absorption progressive de la chaleur avec l'augmentation de la température des batteries.
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MA_Binghua_these_2021.pdf (6.94 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03680513 , version 1 (28-05-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03680513 , version 1

Citer

Binghua Ma. Aluminum matrix nanocomposites for applications in automobile industry. Material chemistry. Sorbonne Université, 2021. English. ⟨NNT : 2021SORUS110⟩. ⟨tel-03680513⟩
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