Les travaux effectués au cours de cette thèse ont porté sur la recherche et l'étude expérimentale de matériaux isolants électriques capables de satisfaire la fonction d'encapsulation de ces composants et modules de puissance haute tension à température de jonction élevée.
Le travail réalisé inclut dans un premier temps un état de l'art des matériaux isolants solides haute température disponibles commercialement. Il est ressorti de cette étude un sévère compromis entre tenue en température et dureté du matériau. Du fait de ce constat, deux voies d'étude ont été considérées en parallèle, afin de répondre aux deux objectifs suivants. Le premier est une tenue en tension élevée avec une tenue en température minimale de 250 °C, mettant en œuvre une encapsulation de volume susceptible d'être plus performante que le gel silicone. Le second objectif est une tenue en tension moyenne (inférieure à 1,2 kV) avec une tenue en température supérieure à 300 °C, faisant appel à une encapsulation de surface a priori utilisable jusqu'à 350 °C. Deux matériaux élastomères silicones chargés en SiO2 et un polymère semi-cristallin ( de type parylène fluoré, PA-F) ont ainsi été retenus pour l'étude, respectivement pour le premier et le second objectif visés. Dans un deuxième temps, L'analyse des propriétés diélectriques et électriques (réalisées pour la première fois sur ces matériaux) à haute température a constitué l'objectif principal de ce travail de thèse en plus de l'étude de l'évolution du comportement physico-chimique et structural.
Ainsi, Pour l'étude sur les élastomères silicones chargés. Les caractérisations thermiques menées ont permis de mettre une limitation d'utilisation à basse température proche de -60 °C et à haute température de 250 °C. L'étude des propriétés diélectriques, montre un comportement électrique similaire pour les 2 élastomères, a permis de mettre en évidence les différentes transitions thermodynamiques identifiées par DSC sur la réponse diélectrique dans les basses températures (-150 °C; 25 °C). A haute température (25 °C, 300 °C), l'analyse a permis d'identifier à basses fréquences une relaxation vers 120 °C, sensible au traitement thermique préalable du matériau, qu'on a relié à l'absorption d'humidité. Il est possible d'évacuer l'eau absorbée par un recuit adapté à température supérieure à 120°C et de durée supérieure à 24 heures. Nous avons montré, en comparant le comportement diélectrique d'un des matériaux chargés avec celui de la matrice silicone pure, que la présence de la charge (SiO2) amplifie fortement la diffusion d'humidité à l'intérieur du composite. On a quantifié l'évolution de la conductivité DC dans la gamme de température entre 200 ˚C et 300 ˚C, des valeurs de l'ordre de 10 -13 Ω-1.cm-1 à 300 °C ont été trouvées. Ces valeurs faibles montrent l'intérêt de ces élastomères silicones pour l'isolation électrique dans cette gamme de températures. En se plaçant du point de vue de l'application électrique, les élastomères silicones étudiés sont de bons candidats pour l'isolation électrique. Il est cependant prématuré de conclure à une compatibilité de fonctionnement de ces matériaux avec les objectifs applicatifs visés avant d'avoir étudié leur comportement à haute température sous fort champ à l'aide d'une étude de la rigidité diélectrique et de l'évolution de cette propriété à long terme.
En ce qui concerne le PA-F étudié, les caractérisations thermiques menées ont pu confirmer que ce matériau est stable pour des températures inférieures ou égales à 350 °C même sous air. Les mesures électriques ont permis de montrer des valeurs de conductivité électrique statique (DC) jusqu'à 350 °C demeurant inférieures à 10-12 Ω-1 cm-1, caractéristiques de matériaux toujours isolants. Nous avons pu observer que le PA-F conserve un champ de rupture compris environ entre 2 et 4 MV.cm-1 jusqu'à 350°C. Par ailleurs, le PA-F a montré un gradient dans le sens d'une amélioration des propriétés diélectriques faible champ avec l'augmentation de son épaisseur jusqu'à 50 micromètres. Il a ainsi été montré durant les travaux de thèse que cet effet était attribuable à une augmentation de la cristallisation induite par l'épaisseur. De même, l'effet d'un recuit a été étudié. Les résultats ont montré une diminution de la conductivité électrique du PA-F ainsi qu'une augmentation de la rigidité diélectrique corrélée à un phénomène de cristallisation induit ici par la température, et bénéfique pour les propriétés d'isolation. Nous avons ainsi montré que le PA-F présente des propriétés diélectriques initiales exceptionnelles jusqu'à 350 °C, offrant une perspective de solution d'encapsulation de surface, à confirmer par une étude de vieillissement sous haute température à long terme. |