L’augmentation de la densité de puissance des systèmes électroniques apporte de nouvelles contraintes à supporter par les matériaux isolants. Si les matériaux actuels remplissent une ou plusieurs fonctions, ils ne sont généralement sollicités en priorité que pour une seule propriété. Les matériaux du futur devront être optimisés afin de répondre à des contraintes combinées de plus en plus sévères (ex. électrique/thermique, thermique/mécanique, thermique/magnétique…). Les matériaux composites apparaissent comme une première tentative dans la recherche de propriétés combinées, en proposant un compromis entre les propriétés recherchées : le renfort étant introduit pour pallier une des faiblesses de la matrice. Cependant, cette amélioration naturellement isotrope dans un composite n’est pas nécessaire la plupart du temps, les contraintes étant généralement anisotropes (citons par exemple, l’extraction de chaleur de la source chaude vers le dissipateur). Afin de mieux adapter les matériaux composites à ces contraintes combinées, pouvant être dans des directions différentes, une solution originale consiste à travailler sur des composites structurés pour obtenir une propriété anisotrope et améliorée par rapport au composite initial. Une méthode permettant de réaliser cette structuration est d’orienter et/ou de chainer les charges utilisées en renfort, au sein d’une matrice, dans la direction souhaitée. Il a été démontré, lors d’études préalables dans des composites polymère/céramique, que cette structuration était possible par l’application d’un champ électrique alternatif (AC) lors de la phase de polymérisation du composite. Cependant, ces études reposant souvent sur des approches empiriques (observation optique du chaînage, caractérisations a posteriori) ne permettent pas une conception a priori des matériaux.
Dans ce contexte, le travail que nous présentons concerne l’étude de la formation de composites polymère/céramique structurés par un champ électrique AC afin de répondre à la problématique suivante : « Comment contrôler l’élaboration de matériaux composites, orthotropes et fonctionnalisés pour leur conférer une ou plusieurs propriétés ? ». L’étude dans le cadre de cette thèse se divise en trois axes principaux. Dans un premier temps l’élaboration et l’optimisation de matériaux anisotropes sont étudiées. Dans un second temps, un modèle permettant de prédire la structuration des composites est développé et confronté aux résultats expérimentaux. Enfin, dans une dernière partie, la possibilité d’orienter des particules perpendiculairement à la direction du champ électrique AC est examinée, afin d’envisager une éventuelle fonctionnalisation des matériaux composites en trois dimensions.
Dans ce contexte, nous proposons une étude de la formation de composites polymère/céramique structurés par un champ électrique AC afin de répondre à la problématique suivante : « Comment contrôler l’élaboration de matériaux composites, orthotropes et fonctionnalisés pour leur conférer une ou plusieurs propriétés ? ». L’étude dans le cadre de cette thèse se divise en trois axes principaux, dans un premier temps l’élaboration et l’optimisation de matériaux anisotropes sont étudiées. Dans un second temps, un modèle permettant de prédire la structuration des composites est développé et confronté aux résultats expérimentaux. Finalement, la possibilité d’orienter des particules perpendiculairement à la direction du champ électrique AC est examinée, afin d’envisager une éventuelle fonctionnalisation des matériaux composites en trois dimensions.
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While current insulating materials fulfil one or several functions inside electrical systems, they are generally solicited mainly for one property. However, the steady rise of power densities in modern electronic devices is imposing new demands on these materials. These requirements often involve a simultaneous enhancement of several thermophysical properties, such as dielectric strength, thermal conductivity, tensile strength, magnetic permeability, and others. Composite materials, compromise between the fillers and the matrix properties, offer interesting means helping to achieve the needed enhancement. However, this enhancement, intrinsically isotropic, is generally not needed in every directions as most of the time the external constraint is anisotropic (e.g. heat extraction from the heat source to the sink). A step toward materials adapted to systems could be possible thanks to the inherent anisotropy of aligned composites which facilitates a beneficial trade-off for a property in one direction at the expense of another direction within a matrix. It has already been shown that such desirable anisotropic property enhancement in polymer/ceramic composites can be achieved by chaining particulate fillers using an AC electric field, applied in the direction of the chaining, while the matrix material is still in liquid form. To date, most studies of this method have taken an empirical approach to the fabrication process, for example using optical observation of the chaining process.
Given these considerations, we propose in the framework of this thesis a study of the elaboration of polymer/ceramic composites structured by an AC electric field to answer the following question: “How to control the elaboration of orthotropic composite materials?”. The study is divided in three main parts. First, the elaboration and optimization of anisotropic composites were studied. Then, a model of the filler structure evolution was developed to give tools for the elaboration of such composites. Finally, the alignment of fillers perpendicularly to the direction of the AC electric field was investigated to make possible the functionalization of composites in three dimensions.
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