Élaboration et caractérisation de films polyimide-nitrure de bore nanocomposites pour l'isolation électrique à haute température

par François Saysouk

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Sombel Diaham et de Marie-Laure Locatelli.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    La recherche permanente de l'intégration et/ou du fonctionnement dans des régions chaudes des dispositifs électroniques de puissance se traduit par une augmentation du niveau des contraintes électriques et thermiques imposées à tous leurs constituants. Cela concerne en particulier les constituants des modules de puissance et des machines tournantes à haute température. Suite à une étude bibliographique qui a permis d'analyser les différentes structures d'isolations pouvant être adaptées à un fonctionnement à haute température (>200°C), il ressort en particulier un besoin en couches diélectriques minces afin d'isoler les différentes parties des module de puissance et des machines tournantes. Les polyimides, matériaux polymères thermostables, bien qu'ils soient de bons candidats pour ce type d'applications présentent cependant des limites d'un point de vue électrique lorsqu'ils sont utilisés dans cette gamme de températures élevées. L'introduction de nanoparticules inorganiques dans la matrice polyimide, peut être une solution pour renforcer les propriétés diélectriques. La disponibilité de nouvelles nanoparticules permet d'envisager des performances accrues des matériaux jusqu'à 400 °C sous fort champ. Durant cette thèse, de nouveaux nanocomposites polyimide/nitrure de bore (PI/BN) ont été élaborés et leurs propriétés diélectriques ont été étudiées particulièrement dans la gamme 200 °C à 350 °C. En particulier, l'étude de l'influence de la taille des nanoparticules de BN (entre 40 nm et 250 nm) a été étudiée. De nombreuses améliorations ont été apportées au niveau du procédé d'élaboration des nanocomposites PI/BN, notamment pour lutter contre la formation d'agglomérats dans la matrice limitant les performances des propriétés diélectriques sous fort champ électrique. Les améliorations de ces dernières comparées au PI non chargé se traduisent au niveau des pertes diélectriques, des courants de conductions et de la conductivité électrique par une diminution de l'ordre de 2 à 4 décades dans la gamme de températures considérées. De plus, le champ de claquage comparé au polyimide non chargé a été multiplié par deux à 350°C dans le cas d'un des nanocomposites élaborés. Finalement une analyse des différents mécanismes physiques de conduction électrique impliqués dans cette amélioration a été réalisée.

  • Titre traduit

    Elaboration and characterization of polyimide-boron nitride nanocomposites for electrical insulation at high temperature


  • Résumé

    The advanced research for warm regions integration and/or operation in power electronics, results in an increased level of electrical and thermal stresses imposed on all their constituents. This concerns, in particular, the components of the power modules and high temperature rotating machines. In literature a thin dielectric layer for the high temperature (> 200 °C) isolation of different parts in power modules and rotating machines is missing. Polyimides, thermosetting polymer materials, are good candidates for this type of applications; however in this range of temperatures, these are limited from an electrical point of view. The introduction of inorganic nanoparticles in the polyimide matrix can be a solution to enhance its dielectric properties. The availability of new nanoparticles allows the fabrication of increased performance nanocomposites with high electric field and high temperature (up to 400 °C) performances. In this thesis, novel polyimide/boron nitride (PI/BN) nanocomposites have been prepared. Their dielectric properties were studied particularly in the range from 200 °C to 350 °C. Also, the influence of the size of the nanoparticles of BN (between 40 nm and 250 nm) has been studied. It's known that the presence of agglomerates in the nanocomposites limits the dielectric properties under high electric field; many improvements have been made in this direction to ameliorate the fabrication process. Dielectric losses, conduction currents and electrical conductivity improvements have been obtained in the nanocomposites compared to the neat matrix: a 2 to 4 decades reduction has been measured in the considered temperature range. Furthermore, the breakdown field resulted doubled at 350 °C for nanocomposites. Finally an analysis of the various physical mechanisms involved in the electrical conduction improvement was realised.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (175 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 163-175

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2014 TOU3 0118
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