Nanocomposite electrical insulation : multiscale characterization and local phenomena comprehension
Les nanocomposites dans l’isolation électrique : caractérisation multi-échelle et compréhension des phénomènes locaux
Résumé
In the electrical insulation field, it was demonstrated that nanocomposite (NC) organic/inorganic hybrid materials assure a distinct improvement of their high temperature/high voltage functioning and allow the electrical insulation to strengthen its dielectric properties. Recently, it was shown that some modifications of the electrical properties such as permittivity, dielectric breakdown, partial discharges resistance or lifetime are often awarded to the nanoparticle/matrix interphase, a region where the presence of the nanoparticle changes the matrix properties. Moreover, recent studies show that the nanoparticle surface functionalization allows a better dispersion of the particles within the host matrix. This better dispersion affects the interphase zone and plays a major role in the nanocomposite properties improvement as well. However, the role of the interphase remains theoretical and few experimental results exist to describe this phenomenon. Accordingly, because of its nanometer scale, the interphase properties characterization remains a challenge. Two main studies are carried out, during this thesis work, that can provide a better understanding of structure-properties relationships in polymer nanocomposite. First, Atomic Force Microscopy (AFM) is employed to make at the same time qualitative and quantitative measurements of these interaction zones within Polyimide/Silicon Nitride (PI/Si3N4) nanocomposite. The Peak Force Quantitative Nano Mechanical (PF QNM) AFM mode reveals the presence of the interphase by measuring mechanical properties (Young modulus, deformation or adhesion). Electrostatic force microscope (EFM) mode is used in order to detect and measure the matrix and interphase local permittivity. Moreover, the aim of this work is to present the effect of the surface functionalization of silicon nitride (Si3N4) nanoparticles on the interphase regions. Mechanical and electrical quantitative results permit comparing the interphase dimension and properties between treated and untreated Si3N4 nanoparticles. As a result, this new approach to characterize the nanocomposite interphase zone using local measurements confronts experimental results with theoretical models. A new model based on the obtained experimental results is proposed. In addition, the second part of this study presents a macroscopic investigation on the dielectric properties and breakdown strength of neat polyimide, untreated and treated nanocomposite films. Results reveal the interphase role on the reduction of the electrode polarization (EP) phenomenon due to ionic movements especially at high temperatures. For untreated nanoparticles, these effects are less important due to the aggregate formation. In contrast, an EP drastic decrease is obtained by functionalizing the nanofiller surface with a silane coupling agent. Finally, the high temperature breakdown strength for all samples is investigated and shows a considerable increase of nanocomposites dielectric performance at high temperature compared to neat PI.
Dans le domaine de l'isolation électrique, il a été démontré que les matériaux hybrides organiques/inorganiques nanocomposites (NC) assurent une nette amélioration de leur fonctionnement à haute température/haute tension et permettent aux systèmes d'isolation électrique de renforcer leurs propriétés diélectriques. Récemment, il a été démontré que certaines modifications des propriétés électriques telles que la permittivité, la rupture diélectrique, la résistance aux décharges partielles ou la durée de vie étaient souvent attribuées à l'interphase nanoparticule/matrice, une région où la présence des nanoparticules modifie les propriétés de la matrice. De plus, des études récentes montrent qu'une fonctionnalisation de la surface des nanoparticules permet une meilleure dispersion dans la matrice hôte. Cette meilleure dispersion affecte la zone d'interphase et joue également un rôle majeur dans l'amélioration des propriétés des nanocomposites. Cependant, le rôle de l'interphase reste théorique et peu de résultats expérimentaux existent pour décrire ce phénomène. Par conséquent, en raison de l'échelle nanométrique de l'interphase, une caractérisation de ses propriétés demeure un défi. Au cours de cette thèse, deux études principales sont menées afin de mieux comprendre la relation structure-propriété dans les polymères nanocomposites. Tout d'abord, la microscopie à force atomique (AFM) est utilisée pour effectuer simultanément des mesures qualitatives et quantitatives de ces zones d'interaction dans le nanocomposite polyimide/nitrure de silicium (PI/Si3N4). Le mode Peak Force Quantitative Nano Mechanical (PF QNM) dérivé de l'AFM révèle la présence de l'interphase en mesurant les propriétés mécaniques (module de Young, déformation ou adhérence). Le mode microscopie à force électrostatique (EFM) est utilisé pour détecter et mesurer la permittivité locale de la matrice et de l'interphases. Par ailleurs, l'objectif de ce travail est de présenter l'effet de la fonctionnalisation de surface des nanoparticules de nitrure de silicium (Si3N4) sur les régions d'interphase. Ces résultats quantitatifs, à la fois mécaniques et électriques, permettent de comparer la dimension et les propriétés des interphase autour des nanoparticules traitées et non traitées. Par conséquent, cette nouvelle approche de caractérisation de cette zone confronte les résultats expérimentaux à des modèles théoriques. Un nouveau modèle basé sur les résultats expérimentaux obtenus est proposé. De plus, la deuxième partie de cette étude présente une caractérisation macroscopique des propriétés et de la rigidité diélectrique des films de polyimide pur, du nanocomposite avec des particules traitées et non traités. Les résultats révèlent le rôle de l'interphase sur la réduction du phénomène de polarisation de l'électrode (PE) dû aux mouvements ioniques surtout à haute température. Pour les nanoparticules non traitées, ces effets sont moins importants en raison de la formation d'agrégats. En revanche, une diminution nette de la PE est obtenue en fonctionnalisant la surface des nanoparticules avec le silane comme agent de couplage. Enfin, la rigidité diélectrique de l'ensemble des échantillons est mesurée et montre une augmentation considérable de la performance diélectrique des nanocomposites à haute température par rapport au PI pur.
Origine : Version validée par le jury (STAR)