Propriétés morphologiques multi-échelles et prévision du comportement diélectrique de nanocomposites

par Maxime Moreaud

Thèse de doctorat en Morphologie mathématique

Sous la direction de Dominique Jeulin.

Soutenue en 2006

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    Les nanocomposites noir de carbone sont obtenus par la dispersion de charge de noir de carbone dans une matrice. En fonction des conditions de mélange, l’arrangement spatial de ces charges peut présenter des hétérogénéités à plusieurs échelles. Dans le but de prédire les propriétés effectives de ce type de composites (comme la permittivité diélectrique), il est nécessaire de connaître les propriétés des deux constituants ainsi que leur arrangement spatial. Pour mener à bien ce projet, nous avons développé une méthodologie générale en plusieurs étapes : la morphologie est modélisée par des modèles aléatoires multi-échelles permettant de tenir compte des hétérogénéités de la distribution des agrégats. L’identification du modèle est réalisée à l’aide de l’analyse d’images d’observation de coupes minces. Dans un deuxième temps, des simulations tridimensionnelles du modèle sont réalisées pour estimer le seuil de percolation des nanocomposites (chargés en noir de carbone ou en nanotubes de carbone), et pour prédire la permittivité diélectrique effective par homogénéisation numérique. Les fluctuations statistiques de la permittivité à petite échelle sont utilisées pour accéder à la notion de Volume Elémentaire Représentatif. Cette approche morphologique est une première étape menant à l’optimisation des propriétés diélectriques effectives de nanocomposites. La démarche a été appliquée à deux types de matériaux pour l’aéronautique utilisés par E. A. D. S. . Une étude portant sur la morphologie de catalyseurs à support de silice mésoporeux et nanoparticules de cérine a aussi été réalisée. Le but de cette étude est de comprendre et améliorer le procédé d’obtention de ces matériaux.

  • Titre traduit

    Multi-scales morphological poperties and prediction of dielectric behavior of nanocomposite


  • Résumé

    Carbon-Black nanocomposites are obtained by dispersing a carbon black charge in a matrix. Due to the conditions of mixing, the arrangement of the charge usually presents some heterogeneity at different scales. In order to predict the effective properties of such composites (like the dielectric permittivity or the elastic moduli), it is necessary to know the properties of the two components (charge and matrix), and their spatial distribution. To fulfil this project, we developed a general methodology in several steps: the morphology is summarized by multi-scale random models accounting for the heterogeneous distribution of aggregates. The identification of the model is made from image analysis  of thin slices. In a second step, 3D simulations of the model are generated to estimate the percolation threshold of nanocomposites (including carbon black or carbon nanotubes charges), and to predict the effective dielectric permittivity by numerical homogenization. Small scale statistical fluctuations  of the permittivity are used to assess the notion of RVE (Representative Volume Element). This morphological approach is a first step towards the optimization of the effective dielectric properties of nanocomposites. The approach was applied to two kinds of materials for aeronautics used by EADS. A study of the morphology of catalysts with cerine nanoparticules embedded in a silica network is also performed. The aim is to understand and to improve the manufacture process of this kind of materials.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (208 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 71 réf.

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