Maîtrise des interfaces pour le contrôle de l’injection de charges dans les polymères isolants électriques – InTail

L’objectif principal de ce projet est de contrôler la formation de charges d’espace dans les matériaux isolants synthétiques pour des applications HVDC. Ces charges peuvent être à l’origine de la rupture électrique des isolants, et donc diminuer la fiabilité des systèmes dans lesquels ces matériaux polymères sont utilisés. Le but est donc d’éviter, ou au minimum de diminuer la formation de la charge d’espace grâce à des interfaces dont les propriétés maîtrisées permettraient d’introduire au sein du diélectrique une couche ‘bloquante’ pour l’injection de charges. Dans le cas d’une application HVDC, les propriétés à l’interface entre une partie semi-conductrice et un matériau polymère isolant ne sont pas bien décrites dans la littérature. Le projet vise à trouver un scénario dans lequel les états de surface du diélectrique jouent un rôle prépondérant dans le contrôle de l’injection de charges. La maîtrise de la structure de l’interface, par des procédés chimiques ou plasmas, permettrait d’introduire des centres de piégeage profond à proximité de l’interface. Ces centres pourraient ainsi piéger les charges injectées, créant un champ électrique local qui réduirait le champ électrique d’injection, diminuant ainsi l’injection de charges. De plus, ces charges étant profondément piégées, elles ne participeraient pas au transport et ne contribueraient pas à la charge d’espace en volume. La première est de type chimique (domaine d’expertise du partenaire chinois, le State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment at Xi’an Jiaotong University of China –SKLEIPE–), et permet d’obtenir un gradient d’espèces polaires dans la couche modifiée (quelques µm). La seconde stratégie est basée sur des procédés plasmas (domaine d’expertise du partenaire français Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie, Toulouse, France –LAPLACE–), et permet de fonctionnaliser la surface du polymère soit par greffage d’atomes d’oxygène ou d’azote (10 nm), soit en déposant une fine couche diélectrique (50 nm) contenant des nano-grains d’argent, qui ont pour propriétés de stabiliser les électrons. Les propriétés physiques et chimiques de ces interfaces seront évaluées et comparées à une interface dite modèle sans modification de surface. La capacité de ces interfaces à injecter des charges sera aussi évaluée, grâce à des mesures de charges d’espace, et comparée à celle de l’interface modèle. La méthode électro-acoustique pulsée (PEA) a été retenue pour les mesures de charge d’espace car elle permet d’obtenir des profils de charge avec une haute résolution temporelle (< sec). La complémentarité scientifique des deux équipes, l’importance stratégique de la recherche dans un contexte où la demande en énergie est toujours grandissante, et le nombre de systèmes et composants HVDC dans lesquels ces nouvelles interfaces pourraient être appliquées donnent un cadre propice à la réussite de ce projet.