Littérature scientifique sur le sujet « Matériaux polymères isolants »

La recherche de moyens de caracterisation non destructifs des materiaux isolants utilises dans les systemes du genie electrique, nous a conduit a suivre la permittivite dielectrique sur une large bande de frequence. L'influence que pouvaient avoir les contraintes que generent les nouvelles formes de commande sur le comportement des materiaux composites a ete etudiee. Deux cellules originales dans la bande 1 mhz-6 ghz ont ete developpees conduisant a une caracterisation large bande (100 hz-6 ghz). Ainsi -avant vieillissement- le suivi de la permittivite permet de montrer que des materiaux a priori de meme nature presentaient des differences notables. L'etude de deux types de vieillissement (climatique et electrique), nous a conduit a proposer deux modeles differents fondes respectivement sur l'utilisation des lois de melange, et sur une approche energetique. Ce dernier met en evidence l'existence de phenomenes complexes associes aux harmoniques elevees des signaux de commande dont la trace ne serait visible qu'en tres basse frequence. Cette conclusion justifie l'interet d'une observation tres large bande de la permittivite pour apprehender tant l'etat initial que l'evolution d'un materiau

L'objectif de cette étude a été d'améliorer la description du vieillissement des isolants organiques solides ou polymères sous contrainte électrique. De ce fait, une large étude bibliographique a été effectuée afin d'analyser, comparer et améliorer les scénarios de vieillissement des polymères isolants. Cette étude bibliographique a montré que, par souci de simplification, des paramètres pertinents ont été négligés dans la description du vieillissement électrique des polymères; à savoir leur structure hétérogène et la distribution de leurs propriétés. Cette étude présente une nouvelle approche sur le vieillissement des isolants organiques solides ayant pour premier objectif de prendre en compte la complexité de leur structure mise en évidence expérimentalement. Pour cela, le matériau a été assimilé à un ensemble de sites représentant des états énergétiques différents et donc des propriétés et une vitesse de vieillissement différentes selon chaque site. Les principaux paramètres en jeu au cours du processus de dégradation tels que la variation du volume spécifique, l'évolution de la rigidité diélectrique ainsi que la valeur locale du champ électrique ont été définis. L'expression du temps de retard de chacun des processus élémentaires de vieillissement en fonction de ces paramètres a été établie. Finalement une forme distribuée de ces temps de retard a été présentée. Notre approche phénoménologique est donc une approche multi-sites qui, complétée par une étude expérimentale, permettrait l'établissement d'une équation qui relierait le temps de vie de l'isolant aux différents paramètres en jeu tout en respectant leur distribution sur l'ensemble des sites au sein du polymère
The aim of this study is to improve the description of solid organic insulators or polymers ageing under electrical stress. With this objective in view, the different ageing scenarios existing in the literature were analyzed, compared and improved. This theoretical study showed that many parameters related to their heterogeneous structure and the distribution of their properties were neglected in order to simplify the modelling. This study presents a new approach in the description of solid organic insulators ageing by taking into consideration their experimentally demonstrated structural complexity. In this approach, the polymer material has been assimilated to a set of sites representing different energy states, thereby different properties as well as ageing rates depending on each site. The principal parameters involved during the ageing process, such as the specific volume variation, the dielectric strength evolution and the local value of the electrical field have been defined. The expression of the retardation time specific to each elementary ageing process has been established. Finally, a distributed form of those retardation times has been presented. Our "phenomenological" approach is thus a multi-sites one permitting, along with an experimental study, to establish an equation relating the life time of polymer electrical insulators to the different parameters at play, all along respecting their distribution over the entire set of sites within the polymer

La fiabilite des systemes electrotechniques passe par la connaissance des contraintes appliquees et la comprehension des mecanismes physiques qu'elles induisent sur les materiaux constitutifs. Parmi eux, les materiaux dielectriques sont souvent consideres comme les points les plus faibles. Compte tenu de l'apparition de nouvelles formes de tension, l'application de ce nouveau type de contraintes sur les proprietes des materiaux de l'isolation statorique doit donc etre etudiee. Dans un premier temps, les differentes formes de tension agissant sur l'isolation ont ete identifiees. Un moteur a ete specialement instrumente de maniere a permettre la visualisation de la tension agissant sur l'isolation. L'existence de front de tension tres eleves, de surtensions importantes (jusqu'a 500 v), d'oscillations hautes frequences (2 mhz) a ete mise en evidence. Ces contraintes ont ensuite ete reproduites en laboratoire sur des echantillons de polyesters (polyethylene terephtalate et polyethylene naphtalene) et un polyimide kapton. L'observable choisie, la permittivite dielectrique complexe est etudiee entre l'azote liquide et 200c. Ce choix est valide par le suivi du vieillissement thermique des deux polyesters pour lesquels les variations sont directement relies aux changements physico-chimiques induits. L'influence des formes de tension carrees sur les proprietes intrinseques du materiau a montre l'existence d'une charge piegee en surface du dielectrique. Cette charge superficielle est associee, d'une part a l'existence de phenomenes de relaxation dans le volume des materiaux etudies et d'autre part aux fronts de tension appliques

Les mesures dielectriques font souvent figure de parent pauvre dans les etudes fondamentales concernant les materiaux moleculaires. Cependant on montre, dans un premier chapitre, l'importance de ces mesures pour une interpretation au moins phenomenologiques de la reponse de ces materiaux a une excitation electrique. Dans un deuxieme chapitre, l'appareillage utilise est decrit. Le chapitre iii est l'un des plus importants de la these: il permet la comparaison des proprietes electriques du polyacetylene sous forme trans, la synthese ayant ete realisee soit par la methode de shirakawa, soit par la methode de durham. On a utilise tout d'abord la methode des thermocourants de depolarisation et discute a partir des resultats experimentaux obtenus l'allure de la distribution des temps de relaxation: on a utilise pour cela plusieurs modeles: modele de distribution de van turnhout, modele gaussien de namira, modele de cole et cole. La comparaison des deux derniers modeles permet de rendre compte des resultats experimentaux. Le quatrieme chapitre est consacre a une breve revue des proprietes essentielles des composants organiques, en particulier des phtalocyanines-phtalocyanines de metaux divalents, pczn, pcni, et bisphtalocyanines de terres rares, pc#2lu et pc#2tm. On insiste sur les proprietes remarquables de la bisphtalocyanine de lutetium. Les resultats experimentaux des mesures dielectriques sont donnes au cinquieme chapitre. On etudie les proprietes dielectriques de multicouches sio#2pc (dope ou non) au ou aluminium, puis sio#2pc#1pc#2au, le wafer de silicium servant de contre electrode. L'importance primordiale des etats interfaciaux pc/sio#2 ou pc/isolant est mise en evidence

Les récentes avancées dans la technologie du courant continu, du côté du transport à haute tension et de la consommation à basse tension, ont propulsé le courant continu de moyenne tension (MVDC) au premier plan. Cette thèse explore les propriétés isolantes en courant continu de deux matériaux couramment utilisés dans l'équipement de distribution : de l'époxy chargé en micro-silice et le silicone elastomère.Dans une configuration monocouche, chaque matériau a fait l'objet d'une enquête approfondie, mettant l'accent sur les caractéristiques de sorption d'eau et la conduction électrique. Des mesures de courant ont été effectuées pour analyser la conduction dans divers niveaux de champs, à différentes températures et conditions d'absorption d'eau. De plus, la méthode Laser Pressure Pulse (LIPP) a été utilisée pour des mesures de charge d'espace en tant que technique complémentaire. L'étude s'est étendue à une configuration bicouche, combinant les deux matériaux, nous permettant ainsi de confirmer un modèle prédisant les propriétés du multicouche et sa distribution de champs en fonction des valeurs des monocouches.La conduction en courant continu dans l'époxy a montré une forte dépendance à l'absorption d'eau, l'humidité influençant la non-linéarité et modifiant le mécanisme de conduction. À l'inverse, le silicone a démontré une conduction limitée par l'électrode, avec des variations de courant liées à la sorption d'eau par le biais d'un mécanisme limité par saturation. Dans une configuration bicouche hypothétique, où l'époxy représente un manchon et le silicone sert de terminaison de câble, le champ est censé se concentrer dans l'époxy dans des environnements secs, passant au silicone à mesure que l'humidité augmente. La thèse se conclut par des discussions sur les stratégies de sélection des matériaux et la conception de configurations multicouches
Recent advancements in direct-current technology from the high-voltage transport and low-voltage consumption have brought medium-voltage DC (MVDC) to the forefront. This thesis delves into the insulating DC properties of two commonly used materials in distribution equipment: epoxy filled with silica and silicone rubber.In a monolayer configuration, each material underwent extensive investigation, focusing on water sorption characteristics and electrical conduction. Current measurements were conducted to analyze conduction under various fields, temperatures, and water uptake conditions. Additionally, the Laser Pressure Pulse (LIPP) method was employed for space charge measurements as a complementary technique. The study extended to a bilayer configuration, combining both materials, with insights from monolayer experiments informing the properties of the bilayer and predicting field distribution.The DC conduction in epoxy exhibited high dependence on water absorption, with moisture influencing non-linearity and altering the conduction mechanism. Conversely, silicone demonstrated electrode-limited conduction, with current variations tied to water sorption through a saturation-limited mechanism. In a hypothetical bilayer configuration, where epoxy represents a type-C bushing and silicone serves as the cable termination, the field is expected to concentrate in the epoxy in dry environments, shifting to silicone as humidity increases. The thesis concludes with discussions on material selection strategies and the design of multi-layer configurations

Le phénomène d'injection de charges dans des isolants synthétiques et la distorsion du champ électrique qui en découlent représentent un frein au développement des câbles pour le transport d'énergie électrique sous haute tension continue (HVDC). Les solutions au problème sont le plus souvent recherchées en influant sur la formulation des matériaux, en l'occurrence le polyéthylène. La voie explorée dans cette thèse est une alternative consistant à créer une barrière permettant le contrôle de l'injection de charges dans un film de polyéthylène basse densité (LDPE) sous contrainte électrique. La solution proposée et étudiée consiste à modifier la surface du film polymère en y insérant des nanoparticules métalliques, susceptibles de jouer le rôle de pièges profonds et d'écranter le champ électrique, contrôlant ainsi l'injection. Pour cela, des nanoparticules d'argent (NPs d'Ag) sont déposées et recouvertes d'une matrice semi-isolante organosiliciée de type SiOxCy:H. La couche mince nanocomposite est élaborée par procédé plasma. Son épaisseur totale est d'environ 50 nm. Les nanoparticules sont obtenues par pulvérisation cathodique et la matrice environnante est réalisée avec un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Le procédé d'élaboration est mis en œuvre dans le même réacteur en utilisant une décharge asymétrique RF à couplage capacitif entretenue à 13.56 MHz à basse pression du gaz. Une étude de l'influence des conditions opératoires du plasma sur les caractéristiques des NPs d'Ag et sur la matrice environnante a été réalisée. Les caractéristiques définies des NPs d'Ag sont la densité, la taille moyenne et la dispersion des nanoparticules. Les analyses physico-chimiques et structurales de la couche nanocomposite ont permis de valider la maîtrise de la formation des nanoparticules et de ses propriétés. L'évaluation de l'efficacité du dépôt a permis de définir les caractéristiques essentielles pour un contrôle des phénomènes d'injection de charges. Les analyses du comportement de l'ensemble étudié sous contrainte électrique ont été obtenues par des mesures de distribution de charges d'espace par méthode électroacoustique, de courant et de potentiel de surface. Les résultats montrent que la modification de la surface d'un film polymère par une couche mince nanocomposite contenant des NPs d'Ag enterrées à une profondeur contrôlée de la surface de la matrice organosiliciée permet le contrôle parfait de l'injection de charge dans un film de LPDE sous des niveaux de champ électrique usuels pour les applications HVDC. L'impact des caractéristiques de la couche nanocomposite sur l'efficacité du procédé a été évalué. Cette étude prouve le concept et ouvre la voie de la maîtrise des interfaces pour le contrôle de l'injection de charges dans des isolants polymères
Charge injection phenomenon in electrically insulating polymers and the resultant electric field distortion remain obstacles to the development of cables for electrical energy transport under high voltage direct current (HVDC). Routes to solve the problem are most often looked for by acting on the material formulation, polyethylene in the present case. As alternative route, we explore in this thesis the possibility to develop a barrier layer allowing fine control of the charge injection in low density polyethylene (LDPE) films. The proposed and further studied solution is to tailor the surface of the polymer film by introducing metallic nanoparticles that would act as deep traps and would produce field screening, thus controlling charge injection. To achieve this, silver nanoparticles (AgNPs) are deposited on the LDPE and covered by a thin organosilicon layers of the type SiOxCy:H. The nanocomposite layer with total thickness of about 50 nm is elaborated in a plasma process. The AgNPs are obtained by sputtering of a silver target and the organosilicon matrix is then deposited in a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The deposition process is realized in the same reactor in the plasma of an asymmetric RF capacitively coupled discharge maintained at 13.56 MHz at low gas pressure. The obtained characteristics for the AgNPs are for their mean size, density and dispersion. The physico-chemical and structural analyses of the nanocomposite layer allowed identifying the plasma operating conditions to control the AgNPs properties. From the evaluation of the efficiency of the AgNPs/organosilicon stack against charge injection, a detailed description of the required properties of the nanocomposite layer for the control of the charge injection phenomenon was derived. The behaviour of the studied structure, nanocomposite layer deposited on the surface of LDPE film, under electrical stress was studied by space charge measurement through the Pulsed Electro-Acoustic (PEA) method, current and surface potential decay measurements. The obtained results show that tailoring the surface of polyethylene film by very thin nanocomposite layer containing AgNPs embedded at a controlled distance from the free surface of the organosilicon matrix permits suppression of charges injection in LDPE films. The impact of nanocomposite layer structure on the efficiency of the barrier effect was evaluated. The mitigation effect is observed up to the typical service electric field for HVDC applications. This study presents a proof-of-concept and opens the way for interface tailoring to control the charge injection in electrically insulating polymers

L'etude du vieillissement des composites polymeres/ciment induit par des contraintes d'ordre climatique est proposee en vue d'ameliorer la durabilite de ces materiaux. Elle est abordee par le biais d'un domaine restreint qu'est l'isolation thermique par l'exterieur (ite). La perte de souplesse des enduits au cours des phases de vieillissement ne peut s'interpreter par la degradation du polymere dans un milieu particulierement agressif pour lui. Par contre, la post-hydratation du ciment, initialement peu hydrate, explique le developpement d'une matrice minerale rigide au sein du composite. Cette faible hydratation initiale resulte d'une evaporation d'eau tres rapide, encore favorisee par l'adsorption de macromolecules organiques (ethers cellulosiques, particules de latex, tensioactifs,) qui creent une barriere hydrophobe autour du grain de ciment. Le systeme de stabilisation du latex joue un role de tout premier ordre dans l'interaction polymere/ciment. Cette derniere est le fruit d'une forte affinite entre les sites polaires de chacune des phases. Une molecule polyfonctionnelle aura ainsi tendance a s'adsorber a plat sur le grain de ciment et fera davantage obstacle a l'hydratation. Ce type de configuration favorise le developpement d'une matrice constituee d'une phase organique continue dans laquelle les particules minerales sont emprisonnees. Les contraintes hygrothermiques que subit le materiau au cours de son existence conduisent au developpement d'hydrates tres cristallises (ettringite, aluminates cubiques) et de csh sous forme fibreuse qui confinent le polymere dans une porosite tres fine. L'investigation d'une utilisation de liants hydrauliques particuliers ressort comme une voie interessante a suivre.

Ce travail de thèse porte sur des nanocomposites -NC- à matrice polyoléfine. Le but est d'apporter des éléments d'interprétation sur leurs propriétés macroscopiques. Nous avons étudié les propriétés électriques, optiques et physicochimiques de matériaux composites à base de matrices de polypropylène iso- et syndio-tactique; les dispersions appartiennent à la classe générique des silicates. Les moyens mis en œuvre concernent des mesures en analyse diélectrique dynamique, de courant dans le domaine temps, d'électroluminescence, de photoluminescence et de spectroscopie UV-visible. Une méthode d'inversion temps-fréquence a été mise en place : elle permet d'expliquer les transitoires de courants observés à partir des données fréquentielles et d'identifier les régimes de champ où des phénomènes non linéaires se produisent
This thesis focuses on polyolefin matrix nanocomposite. The goal is to provide an interpretation on their macroscopic properties. We studied electrical properties, optical and chemicophysical properties of composite materials based on iso- and syndiotactic polypropylene matrix and dispersions belong to the generic class of silicates. The means employed on measures dynamic dielectric analysis, current in the time domain, electroluminescence, photoluminescence and UV-visible spectroscopy. A method of time-frequency inversion was implemented : it allows to explain the transient currents observed from the frequency data and identify the regimes of field where nonlinear phenomena occur

Cette thèse porte sur le confort acoustique et, en particulier, sur les matériaux absorbants destinés au traitement des nuisances sonores dans le domaine de l’habitat. L’objectif est double : il s’agit de proposer un matériau bio-sourcé et absorbant dans la gamme des basses fréquences.Notre choix s’est porté sur un matériau poreux bio-sourcé basé sur la fabrication de céramiques poreuses. Il est constitué de cellulose homogène et isotrope. Son procédé de fabrication repose sur la construction d’une empreinte en polyméthacrylate de méthyle permettant un contrôle fin de sa structure interne. Ensuite, nous avons procédé à la caractérisation expérimentale de ses propriétés acoustiques et des paramètres intrinsèques du matériau. L’analyse de ces données, associée à la modélisation numérique, a permis de définir les caractéristiques physiques influant sur ses performances acoustiques et d’identifier les leviers d’amélioration de celles-ci.Enfin, une mise en œuvre de concepts empiriques est présentée, à savoir : (i) inclusion d’aérogel dans la matrice poreuse, (ii) exploitation de la double porosité dans deux configurations différentes, soit dans le cas d’un composite cellulose/aérogel, soit celui d’un matériau constitué d’un double réseau mésoporeux/microporeux et (iii) utilisation de matériaux à gradient de propriétés (interconnexions ou porosité). Pour chacune de ces trois approches, le procédé de fabrication et la caractérisation de ces nouveaux matériaux sont détaillés et leurs performances acoustiques sont discutées
This thesis is about acoustic comfort and deals particularly with absorptive materials used to treat noise pollution in the housing environment. Our purpose is a double-sided one as the idea is to propose a bio based and absorptive material within the range of low frequencies.We have focused on porous bio based material on the same manufacturing process of porous ceramic. It is composed of homogeneous and isotropic cellulose. The making of a polymethyl methcrylate print enabling a thorough control of its internal structure. Then, we have dealt with the experimental characterization of its acoustic properties and of the intrinsic parameters of the material. The analysis of these data together with the numerical modelling permitted to define the physical characteristics having an influence on acoustic performances and to identify their means of improvement.Finally, the implementation of empirical means will be presented, namely: (i) the inclusion of aerogel in the porous mould, (ii) the exploitation of double porosity in two different configurations, either in the case of cellulose/aerogel composite, or the one of a material composed of a double mesoporous/microporous structure and (iii) the use of materials containing gradients of properties (interconnection or porosity). For each of these three approaches, the manufacturing process and the characterization of these new materials are detailed and their acoustic performances are discussed