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Capsal, Jean-Fabien. Elaboration et analyse des propriétés physiques de nanocomposites hybrides ferroélectriques

Capsal, Jean-Fabien (2008) Elaboration et analyse des propriétés physiques de nanocomposites hybrides ferroélectriques.

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Résumé en francais

L'objectif de ce travail de thèse est de réaliser une étude comparative de nanocomposites hybrides ferroélectriques. Deux matrices thermoplastiques ont été utilisées : le polyamide 11 et le poly(vinylidène fluoride trifluoroéthylène) 70-30. Les nano-objets introduits sont des nanoparticules de titanate de baryum (BaTiO3). Nous nous intéresserons tout particulièrement à l'influence des nanoparticules sur les propriétés physiques des composites en fonction de la taille des inclusions et de leurs fractions volumiques. L'évolution des propriétés pyroélectrique et piézoélectrique des nanocomposites en fonction du caractère électroactif ou non de la matrice est discutée. Dans le premier chapitre de ce mémoire, des éléments de rappel sur la ferroélectricité des polymères et des céramiques ainsi que sur la notion de connectivité des phases dans un composite sont présentés. Les composites étudiés sont de connectivité 0-3 ; une attention particulière est portée aux modèles phénoménologiques permettant de décrire les propriétés physiques de ces matériaux. Le deuxième chapitre est consacré à la présentation des techniques expérimentales utilisées ainsi qu'à la description du protocole d'élaboration des nanocomposites. La stabilité chimique et la structure physique des matériaux constitutifs des composites ont été analysées par Analyse Thermogravimétrique (ATG) et Analyse Calorimétrique Diatherme (ACD). Les propriétés mécaniques statique et dynamique de la matrice polyamide ont été suivies par des essais en traction et en cisaillement dynamique. Les propriétés diélectriques des matrices ont été caractérisées par Analyse des Courants Thermo Stimulés (CTS) et Spectrométrie diélectrique dynamique (SDD). L'influence de la fraction volumique phi de BaTiO3 700 nm sur les propriétés des composites est présentée dans le chapitre 3. Cette étude est réalisée avec les deux matrices. D'un point de vue mécanique, l'introduction de ces nanocéramiques a pour conséquence une forte augmentation du module G' ainsi que de G''. Lorsque la fraction volumique devient trop importante l'évolution d'un comportement ductile vers fragile est constatée. Les nanoparticules de BaTiO3 influencent peu la mobilité moléculaire de la phase amorphe. La diminution du saut delta Cp mesuré par ACD et la diminution de l'amplitude du mode associé à la manifestation diélectrique de la transition vitreuse mis en évidence par CTS indiquent une interaction à l'interface polymère/nanoparticules. L'introduction de BaTiO3 700 nm augmente la partie réelle et imaginaire de la permittivité diélectrique. L'évolution de epsilon' avec phi suit le modèle de Bruggeman jusqu'à phi = 45%. Au-delà de cette fraction volumique, la densification importante et les phénomènes d'agrégation modifient la connectivité des composites. L'évolution des propriétés mécaniques et de la mobilité moléculaire de la matrice polyamide en fonction de la taille des nanoparticules sont présentées au chapitre 4. Une fraction volumique pour laquelle l'état de dispersion est indépendante de la taille des nanoparticules est choisie, i.e. 12% vol. Le saut delta Cp diminue avec la taille des nanoparticules. Une relaxation à haute température est mise en évidence par CTS lorsque la taille des particules diminue. L'évolution de l'amplitude de cette relaxation par rapport à la manifestation diélectrique de la transition vitreuse permet d'attribuer cette relaxation à la phase amorphe à l'interface organique/inorganique. La SDD met en évidence une forte influence de la taille des nanoparticules sur la phase amorphe contrainte lorsque celle ci est inférieure à 300 nm. Le chapitre 5 est consacré à l'étude des propriétés électroactives des composites à matrice thermoplastique en fonction du taux de charge et de la granulométrie du BaTiO3. L'activité pyroélectrique et piézoélectrique diminuent avec la fraction volumique. Ceci s'explique par la différence de signe des coefficients de la phase organique et inorganique. Dans le cas des composites PA11-BaTiO3 seule la partie inorganique est responsable du caractère ferroélectrique. Les propriétés pyro/piézoélectrique augmentent avec la fraction volumique mais diminuent avec la taille des particules. A partir des mesures de Diffraction des Rayons X (DRX) réalisées sur les nanoparticules de BaTiO3, une diminution de la phase cristalline quadratique (ferroélectrique) au détriment de la phase cubique (paraélectrique) a été mise en évidence. L'observation par Microscopie Electronique en Transmission Haute Résolution (MET HR) des BaTiO3 montre une structure cristalline plus complexe, de type " core-shell ", le cœur quadratique et l'écorce cubique. La diminution de la ferroélectricité des particules est liée à celle du rapport phase quadratique/phase cubique.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Lacabanne, Colette
Dantras, Eric
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des MATériaux (CIRIMAT), UMR 5085, Laboratoire de Physique des Polymères (LPP)
Mots-clés libres :Nanocomposites - Corrélation structure propriétés - Polymères - Propriétés électriques - Céramiques - Propriétés thermiques - Propriétés piézo/pyroélectriques - Propriétés mécaniques
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :28 Sep 2010 15:45