Elaboration et modélisation de composites anisotropes : vers desmatériaux adaptés aux systèmes

Anisotropic composite elaboration and modeling : toward materials adapted to systems

• Auteur / Autrice : Guillaume Belijar
• Direction : Thierry Lebey, Sombel Diaham, Zarel Valdez Nava
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 05/12/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diélectrophorèse

Anisotropie

Mots clés libres

Composites anisotropes

Diélectrophorèse

Diélectriques

Elaboration

Modélisation

Anisotropic composites

Dielectrophoresis

Dielectrics

Elaboration

Modeling

Résumé

L'objectif de ces travaux de thèse a été de démontrer la possibilité, en se basant sur une approche prédictive, de contrôler avec précision la fonctionnalisation d'un matériau composite, d'isotrope à anisotrope, sous l'application d'un champ électrique. Ces derniers matériaux présentent en effet un fort potentiel pour des applications futures telles que des condensateurs intégrés ou bien encore des composites conducteurs thermiques. Une première approche théorique des différentes forces et mécanismes entrant en jeux lors de l'élaboration de composites anisotropes par chaînage a permis d'identifier les paramètres impactant le procédé d'élaboration. A la suite de cette étude théorique, un modèle de formation de chaînes de particules sous champ électrique a été développé afin de prédire la dynamique de chaînage. Le modèle choisi (méthode moment dipolaire effectif) a permis la simulation de plus de 4500 particules. Les paramètres ayant au préalable été identifiés ont ensuite été mesurés. Pour la permittivité des particules, une méthode de mesure diélectrophorétique a été développée, ce qui est une première dans le cas de particules céramiques. L'élaboration des composites anisotropes a été couplé avec un suivi novateur, en temps réel, d'un marqueur (permittivité) de la formation de chaînes, permettant d'obtenir la dynamique de structuration des particules. Afin de valider l'aspect prédictif du modèle numérique, une comparaison a été effectuée entre la dynamique mesurée et simulée. Les résultats obtenus ont démontré une très bonne fiabilité des prédictions du modèle, même si des progrès sont encore réalisables aux faibles taux de chargement. Dans un dernier temps, une preuve de concept a été démontrée, de la réalisation de composites anisotropes dont les particules sont alignées perpendiculairement au champ électrique.

This study was aimed to demonstrate the possibility, based on a predictive approach, to tailor the structure of a composite from isotropic to anisotropic when applying an electric field. This composites have great potential for future applications such as embed capacitors or thermally conductive composites. A theoretical approach of the forces and mechanisms acting in the elaboration of anisotropic composites by chaining allowed identifying the key parameters. Based on this approach a model of particle chaining under electric field was established to predict the structuration dynamics. This model (effective dipole moment) allowed simulating more than 4500 particles. The parameters previously identified were then measured, and for the particle permittivity, a dielectrophoretic measurement method was developed, which was a first for ceramic particles. The elaboration of anisotropic composites was coupled to a novel on-line monitoring of a chaining marker (permittivity), allowing to obtain the structuration dynamics. To validate the predictive aspect of the model, experimental and numerical dynamics were compared showing the robustness and accuracy of the model, even if improvement is still possible at low filler content. In the last part, a proof of concept was demonstrated of the elaboration of anisotropic composites with fillers oriented normally to the direction of the electric field.