Vieillissement sous irradiation électronique du PolyEtherEtherKetone : optimisation des propriétés électriques pour applications en environnement spatial

Ageing of PolyEtherEtherKetone through electronic irradiations : optimisation of electrical properties for applications in space environment

• Auteur / Autrice : Guilhem Rival
• Direction : Eric Dantras, Thierry Paulmier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrons de haute énergie

Conduction ionique

Matériaux -- Effets de l'environnement spatial

Mots clés libres

Polymère hautes performances

Radiations ionisantes

Relations structure-propriétés

Propriétés électriques

Analyses thermostimulées

High-Performance Polymer

Ionising Radiations

Structure-Properties Relationships

Electrical Properties

Thermallystimulated Analyses

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans une thématique de recherche liée au comportement des polymères en environnement spatial. Elle présente deux objectifs : étudier le vieillissement du PolyEtherEtherKetone (PEEK) sous irradiation électronique et optimiser ses propriétés électriques afin de limiter les phénomènes de charge de surface. Pour cela, des composites PEEK/Fibres Courtes de Carbone ont été élaborés. Le seuil de percolation électrique des fibres a été déterminé à un taux volumique de 9%. Les applications spatiales du PEEK nécessitant un comportement isolant électrique, le taux de charges de 3 %vol a été sélectionné. La présence des fibres permet d'améliorer la conductivité électronique à température ambiante, même en-dessous du seuil de percolation électrique. Les matériaux ont alors été soumis à un flux d'électrons de haute énergie afin de simuler leur vieillissement en environnement spatial. L'analyse des échantillons irradiés a mis en évidence deux phénomènes de vieillissement simultanés : une réticulation de la phase amorphe et une amorphisation de la phase cristalline. L'irradiation au voisinage de la transition vitreuse (165 °C) conduit à une densité de réticulation plus importante due à un taux de recombinaison des radicaux plus élevé. Dans les composites, les fibres limitent l'amorphisation et stabilisent le comportement mécanique. Vis-à-vis des propriétés électriques, le vieillissement induit une diminution de la conductivité ionique au-dessus de Tg. Dans les composites, cette diminution est amplifiée. À température ambiante, l'irradiation à 25 °C ou à 165 °C conduit à des évolutions opposées du transport électronique associées à la compétition entre réticulation et amorphisation. Dans les composites, les fibres stabilisent l'évolution de la relaxation de potentiel et permettent toujours un écoulement plus rapide des électrons.

This thesis is part of a research concerning the behaviour of polymers in space environment. It has two goals: to study the ageing of PolyEtherEtherKetone (PEEK) under electronic irradiation and to optimise its electrical properties in order to limit surface charge phenomena. For this purpose, PEEK/Short Carbon Fibre composites have been developed. The electrical percolation threshold of the fibres was determined at a volume content of 9 %. As space applications of PEEK require an electrical insulating behaviour, a filler content of 3 %vol was selected. The presence of the fibres improves electronic conductivity at room temperature, even below the electrical percolation threshold. Samples were then subjected to a high-energy electron beam to simulate their ageing in a space environment. Analysis of the irradiated samples revealed two simultaneous ageing phenomena: cross-linking of the amorphous phase and amorphisation of the crystalline phase. Irradiation near the glass transition (165 °C) leads to a higher cross-linking density due to a higher recombination rate of radicals. In composites, fibres limit amorphisation and stabilise the mechanical behaviour evolution. With regard to the electrical properties, ageing induces a decrease in ionic conductivity above Tg. In composites, this decrease is amplified. At room temperature, irradiation at 25 °C and at 165 °C leads to opposite evolutions in electronic transport which are associated with competition between cross-linking and amorphisation. In composites, fibres stabilize the evolution of potential relaxation and always allow a faster flow of electrons.