Matériaux composites conducteurs thermiques à base de nitrure de bore hexagonal dispersé dans des matrices polymères thermoplastiques

Thermally conductive composite materials based on hexagonal boron nitride dispersed in thermoplastic polymer matrices

• Auteur / Autrice : Abdelwahab Boukheit
• Direction : Aurélie Taguet, Belkacem Otazaghine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 28/07/2023
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PCH Polymères, composites, hybrides - Polymères Composites et Hybrides / PCH - IMT Mines Alès
• Jury : Président / Présidente : Philippe Olivier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Taguet, Belkacem Otazaghine, Jean-François Feller, Abdelghani Laachachi, Philippe Miele, France Chabert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Feller, Abdelghani Laachachi

Mots clés

Mots clés libres

Polymères

Nitrure de bore

Composites

Conductivité thermique

Traitment de surface

Procédé

Polymers

Boron nitride

Composites

Thermal conductivity

Surface treatment

Procedure

Résumé

La faible conductivité thermique des polymères limite leur utilisation pour un grand nombre d’applications dans différents domaines industriels dont l’électronique, où un enjeu crucial pour de nombreuses applications est l’évacuation de la chaleur produite par les composants en service. Pour améliorer la conductivité thermique des matériaux à matrice polymère, une méthode efficace est l’utilisation de charges conductrices thermiques comme les céramiques et plus particulièrement le nitrure de bore hexagonal (h-BN). L'objectif de cette thèse a été de développer des matériaux composites à partir de h-BN dispersé dans des matrices polymères thermoplastiques. L’enjeu de ce travail était donc de mettre au point des matériaux qui présentaient à la fois des bonnes propriétés conductrices thermiques et un caractère d’isolant électrique. Étant donné que la conductivité thermique du composite obtenu dépend directement du taux de charges mais également de leur état de dispersion dans la matrice polymère, deux approches ont été suivies pour tenter d’obtenir des organisations différentes pour ces particules. La première approche a consisté à orienter les particules dans une matrice polyéthylène à basse densité (PEBD), en se basant sur une procédure d’extrusion/cast de films. La deuxième approche s’est basée sur la localisation sélective des particules de h-BN à l'interface d’un mélange immiscible poly(méthacrylate de méthyle)/polyamide 6 (PMMA/PA6) afin d'atteindre un seuil de percolation à plus faible teneur en h-BN. Pour permettre ce contrôle de la localisation des charges dans le mélange polymère, la chimie de surface des particules de h-BN a été modifiée par différentes méthodes de fonctionnalisation. Ces charges fonctionnalisées ont ensuite été incorporées dans le mélange PMMA/PA6 pour évaluer l’impact de la fonctionnalisation sur la localisation des particules dans le composite et sur sa conductivité thermique.

The low thermal conductivity of polymers limits their use in many applications across various industrial sectors, including electronics, where efficient heat dissipation is crucial. To enhance the thermal conductivity of polymer matrix materials, an effective method is the incorporation of thermally conductive fillers such as ceramics, particularly hexagonal boron nitride (h-BN). The objective of this PhD work was to develop composite materials using h-BN fillers in thermoplastic polymer matrices. The challenge was to create composites that exhibited both good thermal conductivity and electrical insulation properties. Since the thermal conductivity of the composite depends on the filler content as well as its dispersion in the polymer matrix, two strategies were followed to achieve different organizations for these particles in the material. The first approach involved orienting the particles within a low-density polyethylene matrix through an extrusion/casting process to obtain films. The second approach focused on selectively locating the h-BN particles at the interface of an immiscible poly(methyl methacrylate)/polyamide 6 (PMMA/PA6) blend. The h-BN particles were modified through various functionalization methods to control their dispersion in the polymer blend and achieve percolation with reduced filler content. The modified fillers were incorporated into the PMMA/PA6 mixture to assess the impact of functionalization on particle localization and therefore on the thermal conductivity of the obtained composites.