Synthèse rapide in-situ de nanoparticules bimétalliques tungstène-cuivre par plasma thermique RF réactif

Résumé

Nous rapportons une synthèse in-situ de nanoparticules bimétalliques tungstène-x % en poids cuivre (x = 5, 10, 20) par plasma thermique à radiofréquence (RF) à couplage inductif. Le procédé réduit le trioxyde de tungstène (WO₃) et l'oxyde cuivrique (CuO) en W et Cu métalliques sous atmosphère d'hydrogène, produisant des particules composites uniformément dispersées.

Contexte

Les composites W-Cu sont prisés pour leur stabilité à haute température, leur faible dilatation thermique et leur conductivité électrique supérieure, les rendant idéaux pour les applications automobiles, aérospatiales, de production d'énergie et électroniques. Cependant, leurs points de fusion très différents — W à 3683 K et Cu à 1353 K — combinés à une solubilité mutuelle négligeable et des angles de contact élevés, posent des défis majeurs pour le frittage liquide conventionnel et la densification. L'ajustement du rapport W/Cu (par exemple, <20 % en poids Cu pour la gestion thermique, <80 % en poids Cu pour les contacts de haute puissance) permet d'adapter les propriétés mécaniques et de transport.

Les méthodes actuelles de fabrication de nanoparticules — broyage mécanique, synthèse thermochimique et réduction chimique — produisent souvent des particules de forme irrégulière avec une uniformité limitée et un frittage ultérieur médiocre. L'immiscibilité du W et du Cu entrave la coalescence des particules, résultant en des microstructures sous-optimales. Des études récentes suggèrent que le revêtement de micropoudres de W avec des nanoparticules de Cu peut améliorer la densification par frittage liquide, le Cu fondu infiltrant les pores et favorisant le transport de masse.

S'appuyant sur ces connaissances, nous avons utilisé un plasma thermique RF à couplage inductif pour produire des nanoparticules composites W-x % en poids Cu. La température élevée du plasma et le trempe rapide favorisent la nucléation hétérogène et la coalescence par collision, surmontant potentiellement la barrière d'immiscibilité et produisant des particules bimétalliques uniformes.

Méthodes

Les poudres d'alimentation ont été préparées en mélangeant des microparticules de WO₃ et CuO (pureté > 99,99 %) aux ratios de 5, 10 et 20 % en poids Cu. Le mélange a été séché à 423 K pendant une heure. Ces oxydes ont été choisis pour leurs points d'ébullition relativement bas (WO₃ = 1973 K ; CuO = 2273 K) par rapport au W élémentaire (5828 K) et au Cu (2835 K), facilitant leur vaporisation dans le plasma. Le plasma à induction RF de 30 kW (Tekna, Québec) a vaporisé l'alimentation ; le gaz hydrogène a réduit les vapeurs en W et Cu métalliques, tandis que l'argon et l'azote ont assuré le trempe et contrôlé la cinétique de nucléation. Les conditions de vaporisation et réduction complètes sont résumées dans le Tableau 1.

Résultats

La microscopie électronique à balayage couplée à la spectroscopie à dispersion d'énergie (MEB-EDS) a confirmé que les nanoparticules synthétisées correspondaient aux compositions nominales W-x % en poids Cu (Fig. 1). La diffraction des rayons X (DRX) a révélé la présence des phases α-W (cfc, Im-3m), β-W (A15, Pm-3n) et Cu (fcc, Fm-3m), indiquant une réduction complète des oxydes et la persistance partielle du β-W métastable (Fig. 2). La microscopie électronique en transmission (MET) a montré des particules cuboïdes et sphériques avec des diamètres moyens de 28,2 nm (5 % Cu), 33,7 nm (10 % Cu) et 40,2 nm (20 % Cu) (Fig. 3). La cartographie élémentaire par STEM en champ sombre annulaire à haut angle (HAADF-STEM) a confirmé la dispersion uniforme de W et Cu au sein de chaque nanoparticule (Fig. 4). L'analyse structurale de l'échantillon 20 % Cu a distingué les cuboïdes α-W des sphères β-W et Cu (Fig. 5).

Un traitement thermique à 1073 K sous hydrogène a éliminé la phase β-W, comme en témoignent la DRX et les diagrammes de diffraction de zone sélectionnée (Fig. 6), confirmant que les particules synthétisées par plasma peuvent être entièrement réduites lors du frittage.

Discussion

L'utilisation de WO₃ et CuO comme précurseurs permet une vaporisation et une réduction sélective efficaces. Les atomes de W nucléent à des températures plus élevées en raison de leur pression de vapeur plus faible, suivis par la nucléation du Cu au fur et à mesure que le gaz refroidit. La condensation hétérogène et la coalescence par collision entre atomes de W et Cu produisent des nanoparticules composites. La mouillabilité médiocre du Cu sur le W favorise la croissance en îlots, mais l'immiscibilité empêche le mélange complet, résultant en domaines distincts de W et Cu au sein de chaque particule — une architecture avantageuse pour contrôler les voies électriques et thermiques.

Le β-W résiduel, une phase métastable, peut être entièrement éliminé par un traitement thermique post-frittage, assurant une matrice α-W stable pour une performance mécanique optimale.

Conclusions

Nous avons démontré une méthode rapide, in-situ, par plasma thermique RF pour produire des nanoparticules bimétalliques W-x % en poids Cu (x = 5, 10, 20). Le procédé réalise une réduction complète de WO₃ et CuO, une dispersion uniforme des domaines W et Cu, et une morphologie particulaire ajustable. Ces résultats offrent une voie évolutive pour fabriquer des composites métalliques immiscibles pour des applications thermo-électriques avancées.