Conception et caractérisation de nano-composites polyoléfine/argile pour des applications diélectriques

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Les polyoléfines comme le polyéthylène et le polypropylène sont utilisés depuis des décennies comme mur isolant pour des applications en électrotechnique dans les câbles de puissance et les condensateurs. Ces matériaux ont plusieurs avantages, comme leur faible coût, leur facilité de mise en forme ainsi que la possibilité de les réticuler afin d’améliorer leur propriétés thermomécaniques. Sous des champs électriques relativement faibles, typiquement de quelques kV/mm comme dans les câbles souterrains de distribution, le système d’isolation au polyéthylène réticulé chimiquement s’est avéré efficace et fiable à travers les années. Toutefois, les changements en cours et à venir dans les grands réseaux électriques nous amènent à revoir la conception des systèmes d’isolation pour les câbles de puissance. En effet, d’une part les champs électriques auxquels seront exposés les matériaux diélectriques sont appelés à augmenter considérablement avec l’avènement des câbles de transport très haute tension, et d’autre part l’utilisation de plus en plus fréquente de lignes à tension continue entraîne de nouvelles contraintes et exige de nouvelles propriétés pour les systèmes d’isolation. Le polyéthylène réticulé chimiquement étant relativement peu tolérant aux défauts (qui entraînent assez rapidement une défaillance suite à une dégradation arborescente), il est à prévoir qu’il ne sera pas assez fiable pour des niveaux de champ électrique de l’ordre de 25 kV/mm. De plus, sous une tension continue, le mécanisme d’injection de charges à l’intérieur du diélectrique modifie la distribution du champ électrique menant à des champs suffisamment élevés pour provoquer des ruptures diélectriques dans le mur isolant. Il y a donc un intérêt et une pertinence importante à rechercher des systèmes d’isolation plus performants pour les applications du futur. Une des possibilités les plus prometteuses est l’utilisation de systèmes composites pour lesquels la phase minoritaire est dispersée à l’échelle nanométrique. Cette nouvelle classe de matériaux, les nano-composites pour des applications diélectriques, fait l’objet d’une activité de recherche intense depuis les vingt dernières années. À titre d’exemple, les résultats préliminaires obtenus pour des composites polyéthylène/nano-argile ont démontré leurs propriétés diélectriques supérieures en comparaison avec la matrice seule. Cette proposition de recherche se propose de conduire une investigation complète sur les propriétés diélectriques des composites polyéthylène/nano-argile et polypropylène/nano-argile ainsi que d’optimiser la conception de ces composites pour des applications diélectriques comme mur isolant dans les câbles de puissance et dans les condensateurs de puissance. Plusieurs éléments restent encore inexpliqués : la réponse diélectrique très particulière de ces matériaux, les mécanismes menant à une augmentation de la rigidité diélectrique, ainsi que l’optimisation de la composition et de la microstructure de ces matériaux. Cette proposition vise à optimiser la conception de ces matériaux pour des applications en électrotechnique et à comprendre les mécanismes de conduction et de relaxation diélectrique afin de permettre de faire la conception sur mesure d’un matériau nano structuré pour une application donnée en electrotechnique. Les matériaux diélectriques solides jouent un grand rôle dans l’élaboration de structures, d’appareillage et de fonctions électrotechniques. Ils sont essentiels. De plus, une forte corrélation existe entre la fiabilité des matériaux diélectriques et la fiabilité et durabilité des appareils et équipements dans lesquels ils sont utilisés.