Afin de faire face à la demande croissante en électricité, les tensions et les puissances d’opération ont été amenées à augmenter au cours des dernières années. Ceci engendre inévitablement une augmentation des contraintes électrothermiques sur les systèmes d'isolation électrique existants. Cependant, les matériaux polymériques habituellement utilisés pour les systèmes d’isolation haute tension sont vulnérables à la dégradation due à la présence de décharges électriques et présentent généralement de faibles conductivités thermiques. Ces raisons, choisies parmi d’autres, expliquent pourquoi il y a un besoin de créer une nouvelle génération de matériaux isolants avec de meilleures performances diélectriques et thermiques.
Durant les dernières décennies, l'attention s’est portée sur une nouvelle classe de matériaux diélectriques: les nanocomposites polymériques ou nano diélectriques. Ces diélectriques, renforcés de particules de dimension nanométrique à la place des particules micrométriques habituellement utilisés, ont montré des performances considérablement améliorées, comme, par exemple, une amélioration de la rigidité diélectrique même à de très faibles teneurs en particules, ce qui suggère leur grand potentiel d'application dans les systèmes d'isolation HT. Néanmoins, ces matériaux ne peuvent atteindre leur potentiel maximum que lorsqu’une bonne dispersion et une bonne distribution des particules dans la matrice-polymère sont atteintes. Toutefois, des grappes de nanoparticules avec des dimensions micrométriques ou submicrométriques peuvent survenir, surtout à cause de l'incompatibilité entre les particules inorganiques et le polymère organique. Ces agglomérations peuvent limiter l'amélioration des propriétés diélectriques attendue dans le cas de nanoparticules bien dispersées. Afin d'améliorer l'interaction entre les particules inorganiques et la matrice organique, et par conséquent afin d'améliorer la dispersion de ces particules dans des polymères, la fonctionnalisation de nanocharges par l’intermédiaire de traitements de surface est souvent utilisée. Pourtant, on sait peu sur la stabilité à long terme de ces traitements de surface sous les contraintes électrothermiques d’opération, ce qui peut limiter leur utilisation à l’échelle industrielle, dans le domaine de la haute tension.
L'objectif de cette thèse a été le développement de matériaux innovants à base d’époxy nanostructurés, en vue d’améliorer les performances diélectriques et thermiques du polymère de base, ainsi que d'évaluer leur applicabilité pour les systèmes d'isolation à haute tension. Afin de réaliser une contribution originale au domaine des nano diélectriques, une nouvelle approche a été explorée par l’utilisation d’additifs fonctionnels nanométriques - des silsesquioxanes oligomères polyédriques (POSS) - au lieu d'appliquer une fonctionnalisation de surface pour des nanocharges habituellement utilisées. En outre, dans le cadre de ce travail, des composites nanostructurées à plusieurs phases ont été conçus, impliquant des additifs fonctionnels (POSS) dans la matrice polymère ainsi que des particules micro ou sbmicrométriques avec une haute conductivité thermique - nitrure de bore (BN) - comme deuxième additif, afin d’augmenter la conductivité thermique des composites résultants.
Pour atteindre cet objectif, dans une première étape, des composites d’époxy avec du nitrure de bore ayant une structure cristalline hexagonale (h-BN) ou cubique (c-BN), ont été élaborés et analysés, avec des teneurs en charge bien en dessous du seuil de percolation. Notre objectif a été de trouver le type de renfort le plus prometteur, le pourcentage massique de celui-ci ainsi que la taille idéale, pour augmenter la conductivité thermique dans les composites à base d’époxy. Dans ce contexte, il a été montré que l'incorporation de faibles fractions massiques (≤ 5 %) de particules h-BN submicrométriques ou micrométriques dans la résine époxy conduit à des améliorations notables dans la résistance à la dégradation sous décharges couronne ainsi que dans la conductivité thermique résultantes des composites, par rapport au polymère de base. L'addition de 5 % (en poids) de c-BN submicrométriques, cependant, a généré l'amélioration la plus significative de la conductivité thermique par rapport aux matériaux composites époxy/h-BN. Toutefois, tous les composites époxy/BN ont vu une légère réduction de leur rigidité diélectrique, allant jusqu’à 18 % par rapport à la résine époxy de base, ce qui est un phénomène couramment observé quand des particules de ces tailles sont utilisées. Cependant, comme les valeurs retrouvés sont nettement plus élevés que les contraintes électriques courantes pour l'isolation à haute tension (des rigidités diélectriques au-dessus de 130 kV / mm pour le h-BN, et au-dessus de 170 kV / mm pour les composites c-BN), l’amélioration notable de la résistance à l'érosion ou de conductivité thermique dans le cas des composite restent des résultats qui pourraient avoir un impact notable dans le domaine de l’appareillage de haute tension.
Dans une deuxième étape, deux types différents de nanocharges fonctionnelles de type POSS ont été utilisées pour fabriquer des composites. POSS est un matériau hybride organique/inorganique, qui a un noyau en silice, entouré par des groupes fonctionnels. Ces groupes fonctionnels ont une nature réactive dans le cas des deux additifs POSS utilisés dans ce projet, et donc, peuvent créer des liaisons covalentes avec l'époxy. Le premier additif POSS a été un Triglycidylisobutyl-POSS (TG-POSS) avec 3 groupes fonctionnels, compatibles avec notre système époxy. Lors de notre étude, on a constaté que la création de liaisons covalentes entre la matrice époxy et POSS améliore de manière significative l'interaction nanocharge-matrice et, par conséquent, conduit à des améliorations significatives de la rigidité diélectrique et de la résistance aux décharges couronne pour les composites TGPOSS. De plus, des performances supérieures ont été retrouvées pour les composites avec des teneurs en particules allant de 1 à 2,5 % (en poids), cas pour lesquels aucune agglomération n’a été retrouvée, et par conséquent, lorsque la dispersion de POSS dans la résine époxy peut être considérée comme étant réalisée à un niveau moléculaire. La présence des agglomérations pour des teneurs plus élevées de TG-POSS et la dégradation concomitante des performances diélectriques pour ces composites (avec 5 ou 10 % en poids) a limité l’exploration des chargements plus élevés en POSS, initialement envisagée pour améliorer encore d’avantage la résistance aux décharges couronne. Par conséquent, un glycidyl-POSS (G-POSS) fortement fonctionnalisé a été choisi pour poursuivre l'étude. Cette fois-ci, il a été montré que les composites à faible teneur en G-POSS ont d’excellentes propriétés en terme de rigidité diélectrique et des résistances notamment accrues aux décharges couronne. Plus encore, les mêmes composites ont présenté des conductivités thermiques améliorées ainsi que de faibles pertes diélectriques. Globalement, l’ajout de 2,5 % (en poids) de chaque type de POSS dans une matrice d’époxy a été retrouvé comme la valeur optimale en termes de rigidité diélectrique et pour les pertes diélectriques. Pour conclure cette partie de l’étude, des composites époxy avec des teneurs en particules de Glycidyl-POSS beaucoup plus élevés qu’avant (jusqu’à 20 % en poids) ont été investigués et ils ont montré une résistance encore plus élevée aux décharges couronne. Toutefois, pour ce qui est de la conductivité thermique pour les deux types POSS, les composites à faible teneur (2,5 % en poids POSS ou moins) ont vu la plus importante amélioration par rapport au polymère de base. Ce comportement a été investigué en détail plus loin dans ce travail de thèse.
Dans la troisième étape de notre étude, des composites multi-phases ont été produits en utilisant deux types de charges. Ces matériaux contiennent à la fois 1 % (en poids) de POSS et 5 % (en poids) de particules de c-BN, afin d'étudier l'interaction entre le POSS - un composant hybride organique/ inorganique et le c-BN, purement inorganique, dans la matrice organique d’époxy. Les échantillons obtenus ont été comparés en termes de leurs propriétés diélectriques et thermiques à chaque composite individuellement chargé (contenant seulement 1 % en poids POSS ou 5 % en poids de c-BN incorporés dans l’époxy). Cette partie de l'étude a révélé que, même si aucun traitement de surface chimique complexe n’a pas été appliquée pour les particules c-BN utilisées dans notre étude, une dispersion très homogène de ces particules c-BN inorganiques a été retrouvée dans les matériaux multiphases. Ceci a été considéré comme l’effet de l’ajout de POSS dans la résine, qui semble agir comme un dispersant des charges submicrométriques de c-BN et, cet effet positif sur la dispersion des renforts doit être considéré comme un point d'intérêt majeur dans le domaine des nanodiélectriques ou nanocomposites en général, où la dispersion des charges inorganiques nanométriques dans les polymères est encore un problème courant. En conséquence, la possibilité de concevoir des composites d’époxy combinant le POSS réactive, en même temps que d'autres charges afin d’améliorer leur dispersion dans la matrice d'époxy, représente un résultat qui pourrait contribuer de manière significative à l'avancement de la mise en oeuvre des nanocomposites à base d'époxy à l'échelle industrielle. En termes de conductivité thermique ou concernant la rigidité diélectrique, lorsque les deux POSS et les particules de c-BN ont été incorporés ensemble dans le même composite, aucune amélioration n’a pas été observée par rapport à ceux retrouvés auparavant pour les composites ayant 5 % (en poids) de c-BN. En conclusion, on peut affirmer que les composites comportant uniquement les nanoparticules G-POSS possèdent, dans l’ensemble, les meilleures performances diélectriques et ils sont appropriés pour une utilisation dans le domaine de l’isolation haute tension, après avoir montré des pertes diélectriques plus faibles, une plus grande rigidité diélectrique, ainsi qu'une augmentation de la conductivité thermique, par rapport à la résine d’époxy de base.
La dernière partie de ce travail de thèse présente une analyse par éléments finis basée sur le phénomène de transfert de chaleur observé pour les composites POSS. Par conséquent, des simulations 3D du transfert de chaleur par conduction dans les composites d’époxy sélectionnés ont été développés dans COMSOL Multiphysics en vue d'analyser d’avantage le phénomène de transport de chaleur trouvé pour les matériaux mono ou pluri-composites, étant donné que nos résultats ont montré que les teneurs croissantes en POSS ont conduit à une diminution en termes de conductivité thermique, ce qui est en contradiction avec le comportement suggéré par les lois théoriques des mélanges. L'approche de calcul en utilisant des éléments finis a finalement conduit à la proposition d'un nouveau modèle, apte à expliquer le phénomène de transport de chaleur dans les composites POSS investigués. Basé sur ces résultats, il a été conclu que la nature réactive du POSS, avec ses groupes fonctionnalisés, doit avoir un impact sur la morphologie du réseau/POSS époxy, d'une manière qui améliore le transport des phonons à travers le composite. Cette conclusion a finalement abouti avec la proposition du modèle de restructuration d'interface (IFRM), pour expliquer les résultats particuliers de la conductivité thermique dans les composites en question.
| Date | 18 août 2015 |
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| langue originale | Anglais américain |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Éric David (Directeur(-trice)) & Michel F. Fréchette (Codirecteur(-trice)) |
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