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RÉSUMÉ
Les polymères et composites à matrice polymère sont aujourd'hui très largement répandus pour des fonctions d'isolation électrique et de stockage d'énergie dans le domaine de l'électrotechnique. Ils le sont notamment pour des raisons liées entre autres à leurs qualités intrinsèques, à la variabilité des propriétés selon leur nature, aux conditions de mise en œuvre, aux évolutions des architectures des systèmes eux-mêmes et à des considérations économiques. L'objectif de cet article est de présenter les spécificités de ces matériaux en termes de performances et de durabilité vis-à-vis des exigences et des contraintes électriques et environnementales rencontrées dans l'électrotechnique.
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Polymers and composites with a polymer matrix are currently widely used for electrical insulation and energy storage in electrotechnics. This is notably due to their inherent qualities, the variability of their properties according to their nature, the conditions of implementation, the evolution of the architecture of systems themselves and economic considerations. The aim of this article is to present the characteristics of these materials in terms of performances and durability within the context of the requirements of electrotechnics and its electrical as well as environmental constraints.
Auteur(s)
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Gilbert TEYSSEDRE : Ingénieur INSA Toulouse - Docteur en Physique des Polymères - Directeur de Recherches au CNRS - Laboratoire Plasma et Conversion d'énergie LAPLACE, Toulouse
-
Laurent BOUDOU : Docteur en Génie électrique - Maître de conférences à l'Université Toulouse - Laboratoire Plasma et Conversion d'énergie LAPLACE, Toulouse
INTRODUCTION
Les composants et systèmes du génie électrique intègrent nécessairement des éléments d'isolation électrique entre des éléments portés à des potentiels différents ou dans un souci de protection des biens et des personnes. Parmi ces matériaux, les polymères et les composites à matrice polymère occupent une place très importante, se substituant à des matériaux purement inorganiques (isolateurs verre ou porcelaine) ou à des associations type papier huilé, dont la maintenance et l'écocompatibilité sont des points faibles. Pour diverses raisons liées :
-
aux performances intrinsèques des matériaux et à la variabilité des propriétés selon leur nature ;
-
aux évolutions des systèmes eux-mêmes ;
-
aux conditions de mise en œuvre ;
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à la recyclabilité ;
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à des considérations économiques ;
on s'oriente en priorité vers ces matériaux, dans l'électrotechnique comme dans bon nombre d'autres domaines (constructions aéronautique et automobile, bâtiment...). Au sein même des systèmes électriques, les fonctions qu'ils assurent et les contraintes qu'ils doivent endurer en complément de l'isolation électrique sont très variables. La résistance des matériaux organiques à ces diverses contraintes étant elle-même très variable selon leur nature et leur formulation, il en résulte une multitude de possibilités offertes dans laquelle il est effectivement difficile d'identifier les solutions optimales.
Au cours du temps, la conception des systèmes a évolué en prenant en compte des possibilités offertes par la souplesse de mise en forme de ces matériaux. Parallèlement, les critères de tests se sont adaptés, et les matériaux eux-mêmes ont évolué dans une certaine mesure pour s'adapter aux contraintes du domaine. Cependant, les performances des matériaux du point de vue de la tenue diélectrique ne se déduisent pas de façon déterministe de leur structure ou de leur formulation. Cela, combiné au fait que les marchés potentiels sont relativement modestes en comparaison à d'autres domaines, fait que l'on reste tributaire des produits offerts par l'industrie chimique, et condamnés à réaliser des séries de tests multiples avec des contraintes et des géométries proches des conditions de service pour valider des choix de conception.
L'objectif de ce dossier est de fournir au lecteur des éléments d'information sur la tenue des matériaux aux contraintes environnementales et de service dans le domaine de l'électrotechnique, et les raisons pour lesquelles certaines familles de matériaux peuvent convenir plus que d'autres. Au-delà de la fonction isolation, sont considérées également les applications dans le domaine du stockage d'énergie (condensateurs).
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5. Perspectives de développement en électrotechnique
Le domaine des matériaux pour le génie électrique est vaste et riche. Les verrous se situent à plusieurs niveaux, de l'élaboration jusqu'au système en intégrant les contraintes spécifiques à chaque application. Nous pouvons énumérer les plus importants dans lesquels les isolants organiques, combinés ou non à des renforts inorganiques peuvent amener des solutions innovantes :
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Performances fonctionnelles :
-
diélectriques à conductivité électrique maîtrisée et modulable, dans lesquels la nature et le taux de charges inorganiques peuvent permettre d'ajuster la conductivité ;
-
diélectriques à haute permittivité diélectrique ;
-
matériaux intelligents (capteurs) : les polymères fluorés ferroélectriques, par leur flexibilité de mise en œuvre sont une voie intéressante pour des capteurs piézoélectriques ou pyroélectriques.
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-
Tenue aux conditions extrêmes :
-
matériaux à haute température, basse température, haute tenue mécanique, haute tenue électrique ;
-
synergie des contraintes (électrique, thermique, mécanique) ;
-
prédiction du vieillissement de la durée de vie et de la fiabilité dans un contexte de maintenance prédictive ;
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modélisation de la conductivité sous champ électrique élevé.
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Élaboration et mise en œuvre dans l'application :
-
maîtrise de la recyclabilité ;
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matériaux et procédés économes en énergie et non polluants ;
-
nanodispersion dans les nanocomposites : maîtrise des propriétés diélectriques.
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5.1 Isolation haute température
Les spécifications requises pour les matériaux isolants et diélectriques des composants de l'électronique de puissance par exemple sont appelées à devenir plus exigeantes, en terme de tenue en température et en champ du fait du développement de l'intégration et de la perspective d'apparition de semi-conducteurs à grand gap tels que le carbure de silicium, voire le diamant. Ainsi, des températures de fonctionnement de l'ordre de 300 à 350 oC...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DISSADO (L.A.), FOTHERGILL (J.C.) - Electrical Degradation and Breakdown in Polymers. - Peter Peregrinus, Londres (1992).
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(2) - HUGHES (R.C.) - The electronic properties of the metal-insulator contact : Space-charge induced switching. - J. Appl. Phys., vol. 51, p. 5933-5944 (1980).
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(3) - O'DWYER (J.J.) - The Theory of Electrical Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics. - Clarendon Press, Oxford (1973).
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(4) - ABKOWITZ (M.A.), MIZES (H.A.), FACCI (J.S.) - Emission limited injection by thermally assisted tunneling into trap-free transport polymer. - Appl. Phys. Lett., 66, p. 1288-1290 (1995).
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-
(6) - PAI (D.M.), ENCK (R.C.) - Onsager...
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CEI 93 - 1982 - Méthodes pour la mesure de résistivité transversale et superficielle des matériaux isolants électriques solides - -
CEI 243 - 1988 - Méthodes d'essai pour la détermination de la rigidité diélectrique des matériaux isolants solides - -
CEI 989 - 1991 - Transformateurs d'isolement à enroulements séparés, autotransformateurs, transformateurs variables et bobines d'inductance - -
CEI 270 - 2000 - Techniques des essais à haute tension – Mesures de décharges partielles, 3e Édition - -
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