Three-Dimensional Microstructures of Epoxy-Carbon Nanotube Nanocomposites

Over the last few decades, worldwide increasing effort has been directed towards achieving advances in micro- and nanotechnologies. This is motivated by their high potential for a wide variety of technological applications, ranging from structural composites to micro electromechanical systems (MEMS) and organic electronics. For such applications, polymer nanocomposites reinforced with carbon nanotubes (CNTs), and more specifically single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), are promising materials compared to conventional resins due to their interesting mechanical and electrical properties. However, several fundamental processing and fabrication challenges have to be addressed in order to effectively use these nanocomposites. Production of high quality carbon nanotubes (CNTs) having large aspect ratio, their proper dispersion in polymer matrices as well as the improvement of interfacial bonding are the main parameters affecting their mechanical and electrical performance. Moreover, these materials can be engineered to deliver optimal properties for micro- and macro-devices. However, device miniaturization and three-dimensional shape optimization have not reached their full potential, partly because of the lack of suitable manufacturing techniques. This thesis reports the development of nanocomposite materials for the fabrication of three-dimensional (3D) microstructures with direct-write (DW), micro-infiltration and UV-assisted direct-write (UV-DW) techniques. The thesis focuses on two main parts; nanocomposite preparation and nanocomposite-based 3D microstructures fabrication. High-quality SWCNTs were produced by the UV-laser ablation method and then subjected to a chemical purification. A non-covalent functionalization with a surfactant was performed for additional interaction with the matrix.

Résumé

Dans les dernières décennies, la communauté scientifique a réalisé des efforts considérables dans le but d'avancer dans les domaines de la micro- et nanotechnologies. Cela est dû au grand potentiel de ces technologies dans une large variété d'applications, allant des composites structuraux jusqu'aux systèmes microélectromécaniques (MEMS) et à l'électronique organique. Pour de telles applications, les nanocomposites à base de polymères renforcés par des nanotubes de carbone (CNTs), plus spécifiquement les nanotubes de carbone à paroi simple, représentent un matériau prometteur grâce à ses propriétés mécaniques et électriques lorsque comparé aux résines conventionnelles. Toutefois, plusieurs défis quant au traitement et à la fabrication du nanomcomposite doivent être adressés dans l'objectif d'augmenter l'efficacité de ces nanocomposites. La production de nanotubes de carbone de haute qualité ayant un grand rapport de forme, leur dispersion dans la matrice polymère ainsi que l'amélioration de l'adhésion à l'interface sont tous des paramètres importants dans le comportement mécanique et électrique des nanocomposites. Ces paramètres pourraient être ingénieusement établis afin d'obtenir des propriétés optimales pour les micro- et macro- applications du nanocomposite. Cependant, la miniaturisation et l'optimisation des formes tridimensionnelles des systèmes en nanocomposite sont loin de leur plein potentiel, partiellement à cause du manque des techniques de fabrication adéquates. Cette thèse présente le développement des matériaux nanocomposites pour la fabrication de microstructures tridimensionnelles (3D) en utilisant les techniques de l'écriture-directe (DW), la micro-infiltration et l'écriture directe assistée par rayonnement UV (UV-DW). La thèse adresse deux parties principales: la préparation du nanocomposite et la fabrication des structures 3D de nanocomposites.