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Modélisation du transport de charges dans les diélectriques solides sous contraintes électriques et implication pour la fiabilité des matériaux dans les systèmes de conversion d’énergie – ModElec

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Modélisation du transport de charges dans les diélectriques solides sous contraintes électriques et implication pour la fiabilité des matériaux dans les systèmes de conversion d’énergie

Comprendre et modéliser les phénomènes de chargement dans les diélectriques solides sous contraintes électriques

Les objectifs majeurs de ce projet sont les suivants : <br />- le développement d’un modèle de transport de charge incluant les phénomènes physiques tels que la polarisation, la diffusion ou la recombinaison <br />- la compréhension des conditions pour lesquelles des phénomènes particuliers sont observés expérimentalement <br />- la validation du modèle de transport à l’aide de l’outil d’optimisation, pour un grand nombre de mesures expérimentales, où différents mécanismes sont actifs. Cette validation sera réalisée dans des conditions isothermes, puis pour des conditions non isothermes. <br />- la validation de l’outil d’optimisation avec notamment la recherche de l’unicité des solutions (paramètres du modèle de transport), ainsi qu’un nombre fini de mesures grâce auxquelles il est possible d’obtenir assez d’informations pour modéliser correctement le transport de charges.

La première partie du projet est consacrée à l'évolution d'un modèle unidimensionnel existant de transport de charge développé dans le groupe DSF. Le travail portera sur le développement mathématique et numérique du modèle. Ce travail portera aussi sur des mécanismes particuliers, soit observés expérimentalement (polarisation), soit connus pour avoir un impact sur la dynamique de charge d'espace mais difficile à séparer d'autres phénomènes (diffusion, recombinaison), et non encore inclus dans un modèle de transport de charges dans des diélectriques solides sous contraintes électriques. Un outil d'optimisation sera développé dans le but d'identifier des valeurs de paramètres capables de reproduire au mieux les mesures disponibles. Le modèle de transport de charge sera ensuite validé à l'aide d'un grand nombre de mesures à températures ambiante, pour deux diélectriques organiques. Les sorties du modèle seront directement comparées à des mesures de charges d'espace, de courant et de luminescence DC et AC. Toutes les mesures seront effectuées au LAPLACE. La validité du modèle sera ensuite testée en température, à l'aide de mesure de courants thermostimulés. Enfin, l'outil complet modèle de transport de charge et l'outil d'optimisation sera finalisé. L'unicité des paramètres sera vérifiée. La dernière partie du projet sera dédiée à la mise en place d'un logiciel convivial prenant en compte le modèle de transport de charge et l'outil d'optimisation.

La compréhension globale des phénomènes de transport de charges dans les matériaux désordonnés sous différentes contraintes électriques reste l'objectif majeur de ce projet. Cette compréhension permet d'identifier des conditions spécifiques où tel ou tel phénomène physique a lieu. De plus, le développement d'un modèle de transport dans des diélectriques solides organiques sera validé:
- mathématiquement et numériquement à chaque niveau de développement
- expérimentalement avec un grand nombre de mesures
- pour plusieurs diélectriques connus pour leurs propriétés différentes
Le développement d'un outil d'optimisation dédié à l'identification de paramètres pour le modèle de transport est un point original de ce projet, et permet d'envisager le développement d'un package modèle de transport et l'optimisation pour différentes applications.

Les résultats scientifiques de ce projet permettront de répondre à des problématiques économiques, environnementales et industrielles importantes telles que : le développement de nouveaux matériaux pour l'isolation, plus respectueux de l'environnement ; l’augmentation de la fiabilité des matériaux et des systèmes dans lesquels les isolants sont utilisés, spécialement dans le transport d’énergie HVDC où des outils d’évaluation de matériaux sont indispensables.
Les perspectives à plus long terme concernent le développement du modèle pour d'autres solides diélectriques organiques ou inorganiques, le développement d'un modèle de vieillissement couplé au modèle de transport de charges ou encore le couplage du modèle de transport à un modèle de décharges dans des microcavités.

Les résultats de recherche fondamentale obtenus pendant ce projet donneront lieu à des publications dans des journaux internationaux ainsi que des communications dans des conférences à portée nationales ou internationales. Une thèse sera soutenue à l'issue de ce projet.
Un des résultats attendus du projet est le développement d’un logiciel incluant le modèle de transport et l’outil d’optimisation, d’interfaçage simple, permettant son utilisation pour différentes applications, notamment industrielles.

Le projet a pour but la compréhension des phénomènes de génération et de transport de charges dans les matériaux isolants désordonnés sous contraintes électriques, ainsi que le développement d’un modèle de transport de charge unidimensionnel capable de prédire la dynamique de la charge dans ces matériaux, quelle que soit la contrainte électrique. Ce modèle devra inclure les principaux phénomènes connus pour avoir un impact sur la dynamique de la charge d’espace. Les résultats des simulations seront directement comparables à des données expérimentales, permettant ainsi d’évaluer de nouvelles hypothèses physiques et de comprendre dans quelles conditions tel ou tel phénomène est observé. De plus, un outil d’optimisation des paramètres du modèle de transport sera développé. Les enjeux et verrous technologiques liés à ce projet concernent l’identification des phénomènes importants, leur description physique ainsi que leur mise en équation, ainsi que la validation du modèle de transport avec l’aide de l’outil d’optimisation pour un grand nombre de mesures expérimentales. L’unicité des solutions doit être vérifiée, et la stabilité du code validée.
Les objectifs majeurs de ce projet sont les suivants :
- le développement d’un modèle de transport de charge incluant les phénomènes physiques tels que la polarisation, la diffusion ou la recombinaison
- la compréhension des conditions pour lesquelles des phénomènes particuliers sont observés expérimentalement
- la validation du modèle de transport à l’aide de l’outil d’optimisation, pour un grand nombre de mesures expérimentales, où différents mécanismes sont actifs. Cette validation sera réalisée dans des conditions isothermes, puis pour des conditions non isothermes.
- la validation de l’outil d’optimisation avec notamment la recherche de l’unicité des solutions (paramètres du modèle de transport), ainsi qu’un nombre fini de mesures grâce auxquelles il est possible d’obtenir assez d’informations pour modéliser correctement le transport de charges.
L’équipe Diélectriques Solides et Fiabilité (DSF) du LAPLACE est spécialisée dans la caractérisation électrique et physico-chimique des matériaux isolants majoritairement polymères, ainsi que dans la modélisation du comportement de la charge d’espace dans ces mêmes matériaux. Chaque chercheur du groupe DSF associé à ce projet a un savoir-faire sur une mesure particulière, ou une expertise sur les mécanismes physiques liés aux matériaux organiques diélectriques. Un expert externe, précédemment professeur à l’Institut Mathématiques de Toulouse (IMT), et maintenant professeur dans le département de Mathématiques et applications de l’Université de Braga (Portugal), fait aussi partie du projet. Il est spécialisé dans l’implémentation de schémas numériques et en analyse mathématique et numérique pour la modélisation. Il permettra de développer un modèle de transport robuste.
Un des résultats attendus du projet est le développement d’un logiciel incluant le modèle de transport et l’outil d’optimisation, d’interfaçage simple, permettant son utilisation pour différentes applications, notamment industrielles.
Les résultats scientifiques de ce projet permettront d’autre part de répondre à des problématiques industrielles importantes telles que : le développement de nouveaux matériaux pour l'isolation, plus respectueux de l'environnement ; l’augmentation de la fiabilité des matériaux et des systèmes dans lesquels les isolants sont utilisés, spécialement dans le transport d’énergie haute tension-courant continu (HVDC) où des outils d’évaluation de matériaux sont indispensables.

Coordinateur du projet

Madame severine LE ROY (Université Paul Sabatier Toulouse 3) – leroy@laplace.univ-tlse.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LAPLACE Université Paul Sabatier Toulouse 3

Aide de l'ANR 224 000 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2011 - 36 Mois

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