Дисертації з теми "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

La réduction des risques, sur des sites Seveso et leurs alentours, face aux sollicitations accidentelles ou malveillantes, passe par la sécurisation des bâtiments aux sollicitations dynamiques de type surpression et impact. L’utilisation d’une isolation par l’extérieur, de type matériau isolant et bardage métallique par exemple, semble une piste intéressante techniquement et économiquement permettant d’allier protection face aux risques technologiques et rénovation énergétique.Dans ce travail, deux matériaux représentatifs des isolants thermiques plastiques et minéraux ont été retenus, une mousse polyisocyanurate et une laine de verre. La caractérisation mécanique de ce type de matériaux complexes et à très faible masse volumique, demeure, dans le contexte de sollicitations dynamiques, largement incomplète à l’heure actuelle et les essais mal maîtrisés.Des essais de compression simple et œdométrique en régime statique sont réalisés et un suivi par imagerie à haute résolution associé à de la corrélation d’images numérique permet d’identifier les propriétés mécaniques, d’observer l’hétérogénéité des déformations et de suivre la propagation de fronts de compaction dans le matériau.Des essais dynamiques aux barres de Hopkinson, complétés d’essais DMA, permettent d’étudier la sensibilité à la vitesse de la réponse et de mettre notamment en évidence une dépendance à la vitesse de la contrainte plateau et une insensibilité à la vitesse de la déformation à la densification. Un suivi par imagerie à haute vitesse associé à de la corrélation d’images numérique permet également d’observer l’hétérogénéité des déformations et de déterminer la célérité du front de compaction dans le matériau.Le comportement mécanique des isolants est reproduit au moyen de lois empiriques ou par assemblage de modèles rhéologiques. Une modélisation simplifiée est proposée pour analyser l’effet potentiel d’un dispositif de protection constitué d’un ensemble bardage et isolant face à une sollicitation dynamique transitoire. Elle montre que si un effet atténuateur est possible, son efficacité va dépendre tout à la fois de la signature de la sollicitation et des caractéristiques physiques et géométriques du système de protection
Risk reduction on Seveso sites, particularly for the protection of industrial buildings in the event of an explosion scenario, is a matter of concern. In the context where the insulation of industrial buildings is becoming more widespread, one solution would be to combine thermal insulation and building protection, by exploiting the absorption capacity of common thermal insulation materials. This solution would be interesting from an economic point of view.The aim of this PhD thesis is to experimentally characterise the mechanical behaviour of two insulating materials commonly used in France: a polyisocyanurate foam and a glass wool. Various devices were used to determine the mechanical behaviour, in particular the Split Hopkinson Pressure Bars device, which allows to characterise the mechanical behaviour at high speed loading.The polyisocyanurate foam was characterised in static and dynamic regimes, in unconfined compression and confined compression. These tests showed a sensitivity to the strain rate of the plateau stress in the material, and showed, by using the digital image correlation technique, the heterogeneity of the deformation in the material. The behaviour of the foam was modelled in two ways: firstly with an empirical law and secondly with a rheological model to simulate a dynamic compression test. The glass wool was characterised in simple static compression, and its behaviour was modelled empirically.The modelling based on empirical laws allowed us to carry out some simple simulations of a dynamic stress of explosion type on a cladding-material-structure assembly. The rheological model, which only concerns the polyisocyanurate foam, was used to identify the viscoplasticity coefficient

Le sujet de cette thèse porte sur la compréhension et la modélisation du comportement électrique de système d'isolation soumis à un fort champ électrique continu. Les propriétés électriques du polymère sont directement pilotées par ses hétérogénéités chimiques et physiques présentes à plusieurs échelles. Dans cette étude, un nouveau modèle est développé ayant pour but de simuler l'évolution de la microstructure de polymère avec la température, le champ électrique et le temps et de simuler l'impact de cette évolution sur les propriétés électriques du polymère. Dans ce modèle, des matrices sont utilisées pour décrire la distribution de chacune des hétérogénéités et propriété électriques d'un polymère semi-cristallin. L'évolution de ces matrices de microstructure suit des lois génétiques dont la définition a été obtenue à partir d'une caractérisation fine des propriétés physicochimiques et électriques de matériaux spécifiques en fonction de la température et du champ électrique. Ces lois implémentées sont basés sur des calculs simples permettant un temps de résolution plus rapide comparativement aux autres modèles préexistants. Basée sur ces lois d'évolutions génétiques, le comportement électrique sous champ électrique continue de polymère isolant peut être simulé uniquement à partir d'une caractérisation physique et chimique de ce polymère. Le modèle est ainsi capable de reproduire le comportement électrique de plusieurs polymères semi-cristallins et de suivre les données expérimentales mesurées par ailleurs. Le modèle intègre plusieurs physiques tels que la diffusion, le transport ionique et le transport électronique, lui permettant ainsi de prendre en compte l'influence d'un grand nombre d'hétérogénéités
This thesis presents a research work on understanding and modeling the electrical behavior of insulation system in cables subjected to high DC constraints. Electrical properties of polymeric insulation are directly related to their chemical and physical heterogeneities present at several scales. In this work, a new model is developed to simulate the modification over time of the microstructure in insulation polymers under electric field and temperature as well as the subsequent impacts on electrical properties. In this model, matrices are used to describe the distribution of each heterogeneity and electrical property in semi-crystalline polymer. When stressed under electric field and at temperature, matrices of microstructure evolve from implemented genetic laws. This simulated microstructure evolution yields to the simulation of electrical property changes over time at transient and steady state. To define these genetic laws, a detailed characterization of the physical, chemical and electrical properties of specific materials as a function of temperature and electric field is experimentally performed. Genetic laws are notably implemented to take into account the impact of the semi-crystalline structure and the presence of chemical residues in polymer electrical properties. Based on these genetic evolution laws, this modeling approach allows simulating DC electrical behavior of polymers only from their physical and chemical characterizations and reproduce accurately experimental electrical behavior with a faster solving time compared to other simulation methods

La premiere partie de la these consiste a realiser l'etude sur une large bande de frequence (100 mhz 5 ghz) d'une sonde coaxiale a effet de bout en effectuant son etalonnage et en etudiant les differentes limitations de la methode. Cette technique de caracterisation dielectrique a ensuite ete adaptee a la realisation de mesures a basse temperature dans un cryostat a helium liquide. Dans la seconde partie, le comportement en frequence et en temperature de plusieurs types d'echantillons est etudie: des fullerenes (c#6#0 et c#7#0), un echantillon supraconducteur a base de nanoparticules de carbone, et enfin des composites polystyrene/polypyrrole

Ce travail propose une nouvelle approche de la description des phénomènes physiques qui interviennent dans le cadre de la modélisation de l'interaction plasma-isolant. Pour cela un code de calcul de dynamique moléculaire à été réalisé pour décrire les mécanismes fondamentaux qui régissent cette interaction à l'échelle microscopique.
Une étude fondamentale de la dynamique moléculaire, basée sur l'utilisation des méthodes numériques particulières comme les intégrateurs symplétiques et l'exploitation des différents potentiels d'interactions existants (Morse, Lennard-Jones...), a abouti à deux modèles de polymère : le polyéthylène ou PE (CH2)n. Le premier modèle dit simplifié consiste à considérer un groupement CH2 comme un atome fictif de masse molaire 14g, tandis que le second plus complet traite la dynamique de l'atome d'hydrogène au sein de la macromolécule. Ces deux modèles sont utilsés, dans le cadre de ce travail, pour diverses interactions.
Par ailleurs, des mesures expérimentales de perte de masse des matériaux polymères qui interagissent avec un plasma, créé par l'explosion d'un fil de cuivre, sont exposées. Ces résultats sont corrélés par des calculs théoriques de thermodynamique qui montrent une différence de comportement des deux polymères testés : le polyéthylène et le polyoxyméthylène, POM ou Delrin (CH2O)n.

Dans le présent travail, nous abordons une problématique essentielle liée aux accessoires des lignes électriques et plus particulièrement au connecteur à perforation d’isolant (TTDC 45501 FA), commercialisé par la société Sicame située à Arnac-Pompadour (Corrèze). Ce produit permet d’effectuer des dérivations de courant en moyenne tension gainé HTA entre 15 et 25kV. Cependant, il devient nécessaire de concevoir une nouvelle génération de connecteurs capable de fonctionner à une tension de 52 kV en raison de la constante augmentation des besoins en électricité. En réalité, le principal souci concernant ces produits réside dans l’apparition de décharges partielles dans le volume constitué par la matière isolante (polyamide 6 chargée à 50% en poids de fibres de verre). Ces décharges engendrent un vieillissement prématuré du produit sous l’action conjuguée d’une atmosphère corrosive (brouillard salin) et d’un champ électrique. Ainsi, l’objectif de la présente thèse est de faire, dans un premier temps, un choix approprié de matériaux isolants parmi des polymères thermoplastiques, thermodurcissables époxydes ou élastomères en EPDM, capables de résister à plusieurs contraintes : thermique, électrique, mécanique, chimique et climatique. La partie expérimentale concerne, tout d’abord, la mesure de la tension de contournement, de l’activité des décharges partielles se propageant à la surface des matériaux isolants et de la tension de claquage, en tension alternative (A.C.). Pour cela, des échantillons polymères qui comportent des surfaces planes ou des surfaces pourvues de protubérances ont été moulés en vue de comparer leur comportement diélectrique en présence d’atmosphères polluées de type brouillard salin; ces mesures sont nécessaires pour effectuer un choix approprié du matériau à intégrer dans le connecteur. Par la suite, l’étude et la caractérisation optique et électrique de décharges glissantes, se propageant en surface de divers matériaux polymères, en tension impulsionnelle (L.I.) pour les deux polarités (positive et négative) et pour deux types de champ électrique (normal et tangentiel) sont présentées pour le cas d’une interface solide/air. La mesure de la longueur finale des décharges glissantes et la visualisation de l’onde de courant sont les deux paramètres principaux pour différencier les caractéristiques des matériaux utilisés. L’ensemble des résultats de mesures a permis de sélectionner les résines époxydes cyclo-aliphatiques (CEP) comme candidates potentielles pour la conception d’une nouvelle génération de connecteurs. De plus, la simulation du champ électrique, à l’aide du logiciel Flux 2D/3D, sur le connecteur électrique (TTDC 45501FA) a permis d’aboutir à la proposition d’un prototype de connecteur présentant une nouvelle géométrie et pouvant fonctionner à 52kV
In the present study, we deal with an essential problem related to electrical lines accessories and more particularly to piercing connectors (TTDC 45501FA) commercialized by a private company named Sicame and which is located in Arnac-Pompadour (Corrèze, France). This product/accessory is designed to provide power diversions on medium voltage live lines HVA operating between 15 and 25kV. However, it becomes required to design a new generation of piercing connectors able to operate on 52kV live lines because of the electrical power demands that are steadily increasing. Actually, the main concerns about these products are the occurrence of partial discharges within the insulating material volume (polyamide 6 containing 50%wt of glass fibers). Most of the time, these discharges induce an early ageing process of the accessory under the combined effects of a corrosive environment (as salt fog) and an electric field threshold. Thus, the main objective of the present Ph.D. thesis is to carry out an appropriate choice of insulating materials among several tested polymers such as thermoplastics and thermosetting epoxy resins and EPDM elastomers that are capable of withstanding several constraints: thermal and electrical and mechanical and chemical conditions. The experimental section is focusing on the measurements of flashover voltage and partial discharges activity propagating on polymeric surfaces and breakdown voltage within material bulks under A.C voltage. That is why polymeric samples with plane surfaces and textured surfaces are molded to compare their resistance to partial discharges when being subjected to polluted environments such as salt fog; these measurements are necessary to choose the suitable materials for the required application to be integrated in the new generation of connectors. Then, the optical and electrical characterization results of creeping discharges propagating on several polymeric surfaces under lightning impulse (L.I.) voltage with its both polarities (positive and negative) and for two kinds of applied electric field (normal and tangential) are presented in the case of solid/air interfaces. Final length measurements of creepage discharges are the main parameter for distinguishing material properties. The whole obtained results (under AC and LI voltages) allow us to point out the cycloaliphatic epoxy resins as potential candidates to the conception of a new generation of piercing connectors. In addition, the electric field simulation and modelling of the TTDC 45501FA connector by using the Flux 2D/3D software seems to be helpful to design a connector prototype which exhibits a new geometry and is able to reach a voltage level that equals 52kV

Les mousses rigides constituent une classe très importante de matériaux de par leur large champ d’applications et de leur poids économique considérable. Le développement de mousses à base de tannins a permis d’obtenir des matériaux issus à 90% de produits naturels. Dans ce travail, un type de tannins très réactif dit « procyanidine », a été employé. Les formulations et la technologie de fabrication de mousses rigides ont été développées à partir de tannins extraits d’écorce de pin et d’épicéa. Dans un premier temps, la composition et la réactivité des tannins ont été étudiées. Ensuite, l’étude du processus de moussage des résines à base de ces tannins a permis l’élaboration d’une large gamme de mousses rigides tannin-furanique. Leur excellente résistance au feu, leur résistance mécanique et leur haute performance thermique en font des matériaux d’isolation de haute qualité. Ces mousses peuvent également être employées comme absorbeurs acoustiques. De plus, de nouveaux solides cellulaires à base de tannins et de protéine ont également été développés, proposant ainsi un nouveau type de matériaux issu de produits naturels
Rigid foams contitute a very important class of materials considering their wide application range and their considerable economic impact. The development of tannin-based foams provided materials made from 90% natural products.In this work, a type of tannins highly reactive, namely « procyanidin », was used. First, tannins composition and reactivity were studied. Then, the foaming process investigation of tannin-based resins leads to a wide pannel of tannin-furanic rigid foams. Their excellent fire resistance, mechanical resistance and high thermal performance make them high quality insulation materials. These foams are also suitable for other applications such acoustic absorption. Thus, new cellular solids from tannin and protein were also developped, offering a new type of materials derived from natural products

L’avènement des énergies renouvelables, notamment offshore, et la nécessité de transporter l’électricité sur des distances toujours plus grandes tout en réduisant les pertes en ligne requièrent la mise en place d’un nouveau réseau électrique plus performant, le supergrid. L’amélioration des sous-stations ultra haute tension en courant alternatif (UHVAC) de type poste sous enveloppe métallique (PSEM), i.e. la réduction de leur empreinte au sol ou leur montée en tension, s’inscrit parmi les défis engendrés par le développement du supergrid. L’amélioration de la tenue aux contraintes électrothermiques des isolants solides employés dans les PSEM a été identifiée comme le principal verrou technologique pour le perfectionnement de ces appareillages, déjà pleinement maîtrisés en HVAC. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été motivés par la nécessité de développer un matériau isolant électrique plus performant que les matériaux existant actuellement sur le marché. L’un des matériaux couramment employés pour la fabrication d’isolants solides pour PSEM, une matrice époxy-anhydride chargée d’alumine micrométrique, a servi de référence commerciale à notre étude. Suite à une étude bibliographique, nous avons choisi de conserver la matrice époxy du système commercial de référence et de jouer sur les charges inorganiques employées pour optimiser les propriétés du matériau isolant. Les travaux présentés mettent en évidence l’influence de la nature des charges inorganiques (alumine ou nitrure de bore hexagonal), de leur facteur de forme (quasi sphérique ou lamellaire) et de leur fraction volumique sur la conductivité thermique, le coefficient d’expansion thermique, les propriétés mécaniques dynamiques, les propriétés diélectriques, la conductivité électrique à haute tension (DC) et la rigidité diélectrique (AC) des matériaux composites. L’étude expérimentale des relations structure-propriétés est complétée par un travail de modélisation des propriétés diélectriques et de la conductivité thermique des matériaux composites
The integration of renewable energies to the power grid requires its modification in order to ensure its stability, security and efficiency. Improving ultra-high voltage alternative current (UHVAC) gas insulated substations (GIS), e.g. reducing their size or increasing their voltage, is one of the challenges induced by the development of the future power grid, the supergrid. Increasing the ability of solid insulators used in such equipment to withstand electro-thermal stress has been identified as the main obstacle to overcome. The work presented in this manuscript has been motivated by the necessity to develop more efficient electrical insulating materials compared to commercially available ones. An epoxy-anhydride matrix filled with micron sized alumina, often used to produce GIS solid insulators, has been used as a reference for this study. We decided to keep the matrix of the reference material throughout our work and to concentrate on the filler influence in order to optimize the properties of the composites. The impact of the nature of the filler (alumina or hexagonal boron nitride), its shape factor (platelets or almost spherical particles) and its volume fraction upon thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, dynamic mechanical properties, dielectric properties, high voltage direct current (DC) conductivity and AC breakdown strength have been highlighted. The experimental study of structure-property relationships is completed by dielectric properties and thermal conductivity modelling using the effective medium theory

L'utilisation de fibres végétales, tant dans le domaine de la plasturgie que dans celui du bâtiment, permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre et par conséquent l'impact environnemental de l’Homme. L'intérêt envers les bio-composites utilisant des fibres végétales telles que le chanvre, le bois, le lin mais également le roseau miscanthus ne cesse d'augmenter. Il n'existe, à l'heure actuelle, que très peu de travaux s’intéressant au roseau phragmites australis. Pourtant, n'utilisant pas de surfaces cultivées, cette plante invasive est indépendante des enjeux agricoles et ne demande aucun intrant chimique. La récolte du roseau s'inscrit donc dans une démarche de gestion des zones humides tout en valorisant un matériau aux multiples propriétés. Les travaux de cette thèse sont consacrés à la caractérisation du matériau brut phragmites australis et à l’étude de son éligibilité comme matériau en substitution de trois matériaux de référence, le bois, le miscanthus et la chènevotte, largement utilisés comme renforts en plasturgie et en éco-construction. Des formulations de composites utilisant deux matrices polymères (polypropylène et polybutylène succinate) à différents taux de charges végétales et d’agent compatibilisant ont été caractérisées d’un point de vue de leurs propriétés mécaniques par des essais de traction, flexion et choc Charpy. Le vieillissement à l’eau de ces composites a également été étudié et corrélé au caractère hydrophobe du roseau. Pour le volet construction, des formulations à base de roseaux de différentes origines et utilisant différents liants (chaux aérienne, plâtre et terre) ont été testées en compression et avec des mesures de conductivité thermique afin d’évaluer le comportement du roseau en tant que matériau d’usage pour le bâtiment
The use of plant fibres, both in the field of plastics processing and in the building industry, makes it possible to reduce greenhouse gas emissions and therefore the environmental impact of mankind. Interest in biocomposites using plant fibres such as hemp, wood, flax and also miscanthus reed is increasing. Nowadays, there is very little work on the reed phragmites australis. However, as it does not use cultivated areas, this invasive plant is independent of agricultural issues and does not require any chemical inputs. The reed harvest is therefore part of a wetlands management approach while enhancing the value of a material with multiple properties. This work is devoted to the characterisation of the raw material phragmites australis and to the study of its eligibility as a substitute material of three reference materials, wood, miscanthus and hemp shiv, widely used as reinforcements in plastics processing and eco-construction. Composite formulations using two polymer matrices (polypropylene and polybutylene succinate) with different rates of plant fillers and coupling agent were characterised from the point of view of their mechanical properties by Charpy tensile, flexural and impact tests. The water ageing of these composites was also studied and correlated to the hydrophobic character of the reed. For the construction application, formulations based on reeds of different origins and using different binders (lime, plaster and earth) were tested in compression and with thermal conductivity measurements in order to evaluate the behaviour of the reed as a material for building use