Electrical and thermal transport properties of polymer/carbonaceous nanostructured composites

par Rakibul Islam

Thèse de doctorat en Molécules et matière condensée

Sous la direction de Frédérick Roussel et de Carole Gors.

  • Titre traduit

    Propriétés de transport électrique et thermique de composites (polymère/charges carbonneés) nanostructurés


  • Résumé

    Les polymères conducteurs composites présentent des propriétés thermoélectriques qui en font une solution prometteuse, peu coûteuse, propre et efficace pour la récupération de pertes de chaleur. L’objet de cette thèse est l’étude des propriétés de composites nanostructurés à base de polyaniline (PANI) en fonction de la concentration en nanoobjets: nanotubes de carbone (1-D) et oxyde de graphène réduit (RGO) (2-D). Leur structure et morphologie ont été étudiées par MEB, MET, diffraction des rayons X et diffusion Raman. Les conductivités électrique et thermique, le coefficient Seebeck, la figure de mérite thermoélectrique ZT, ont été mesurés. La conductivité électrique montre une augmentation importante avec la concentration en charges alors que la conductivité thermique ne croît que légèrement, ceci améliore ZT de plusieurs ordres de grandeur. L’effet de la dimensionnalité des charges a été mis en évidence. Mais quelle que soit cette dimension, la conductivité électrique contrairement à la conductivité thermique, suit un comportement de percolation à travers un processus de conduction à 2-D. Ce comportement a été également observé pour la capacité thermique volumique des nanohybrides PANI/RGO ce qui en fait des candidats potentiels dans le domaine des matériaux à haute capacité thermique. Leur facteur de stockage de chaleur est traité avec un nouveau modèle analytique. Les échantillons de PANI/RGO ont été étudiés par spectroscopie diélectrique à différentes températures. Les résultats font apparaître un phénomène intéressant de piégeage de charges à l’interface PANI/RGO qui pourrait trouver des applications dans les supercondensateurs et les mémoires électroniques.


  • Résumé

    Conducting polymer nanocomposites exhibit for instance interesting thermoelectric properties which make them a promising, inexpensive, clean and efficient solution for heat waste harvesting. This thesis reports on properties of polyaniline (PANI) nanostructured composites as a function of various carbonaceous nano-fillers content such as carbon nanotubes (1-D), and 2-D reduced graphene oxide (RGO). SEM, TEM, X-ray diffraction, and Raman spectroscopy have been employed to investigate their structure and morphology. Electrical and thermal conductivity, Seebeck coefficient, and thermoelectric figure of merit (ZT) have been systematically performed. An important increase of electrical conductivity has been observed with increasing filler fraction whereas thermal conductivity only slightly increases, which enhances ZT of several orders of magnitude. Fillers dimension effect is evidenced, but, whatever this dimension, it is shown that, in contrast with thermal conductivity, electrical conductivity follows a percolation behavior through 2D conduction process. This behavior is also observed in the case of the volumetric heat capacity of PANI/RGO nanohybrids which make them potential candidates as high heat capacitive materials. For the first time their heat storage factor is assessed with a new analytical model proposed in this study. The PANI/RGO samples have also been investigated by Dielectric Spectroscopy at different temperatures. Results evidence an interesting charge trapping phenomenon occurring at the PANI/RGO interface which might find promising applications in supercapacitors or gate memory devices.


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