Conception rationnelle de nano-hybrides de carbone 1D pour l'application de nanocomposites diélectriques

Rational design of 1D carbon nano-hybrids for dielectric nanocomposites application

• Auteur / Autrice : Minhao Yang
• Direction : Jinbo Bai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 08/11/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Miomandre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jinbo Bai, Jinkai Yuan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Pralong, Alain Sylvestre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Diélectriques

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Constante Diélectrique

Nanocomposites polymères diélectriques

Nanofils

Perte diélectrique

Coeur-coquille

Nanowires

Dielectric Constant

Dielectric Loss

Dielectric Polymer Nanocomposites

Nanofillers

Core@Shell

Résumé

Les nanocomposites polymères diélectriques ayant une constante diélectrique élevée et une faible perte diélectrique ont reçu un grand intérêt pour une utilisation dans le domaine du condensateur électrostatique. De manière générale, les performances diélectriques améliorées des nanocomposites sont déterminées par le type et la nature des polymères et des nanocharges sélectionnés, ainsi que par l'effet de couplage interfacial entre les matrices et les nanocharges. Parmi ces facteurs, les propriétés physiques, les géométries et les structures des composants des nanocharges jouent un rôle essentiel dans la détermination des performances diélectriques des nanocomposites. Selon les conductivités des nanocharges, les nanocomposites polymères diélectriques peuvent être classés en deux types: les nanocomposites polymères diélectriques conducteurs (CDPN) et les nanocomposites polymères diélectriques-diélectriques (DDPN). Cependant, la perte diélectrique élevée accompagnée au voisinage du seuil de percolation pour les CDPN et la charge élevée de nanocharges en céramique entravent le développement de nanocomposites polymères diélectriques à haute performance.Tout d'abord, des nanocomposites ternaires BNNS/CNT/PVDF ont été fabriqués. L'incorporation de BNNS dans les nanocomposites binaires CNT/PVDF a amélioré la dispersion des NTC et optimisé le réseau conducteur. La connexion directe entre les CNT pourrait être entravée en augmentant le contenu de BNNS.Deuxièmement, des hybrides CNT@AC à structure cœur-coquille ont été préparés par méthode CVD. La couche de carbone amorphe entrave non seulement le contact direct des NTC, mais améliore également la dispersibilité des NTC dans la matrice de PVDF. Le seuil de percolation augmente avec la prolongation du temps de dépôt du carbone. Plus important encore, la perte diélectrique a subi une forte diminution après le processus de revêtement. Troisièmement, les hybrides BNNSs@C avec des teneurs en carbone différentes ont été synthétisés par la méthode CVD. La fraction de carbone dans les hybrides BNNSs@C pourrait être ajustée avec précision en contrôlant le temps de dépôt de carbone. Les propriétés diélectriques des nanocomposites BNNSs@C/PVDF pourraient être ajustées avec précision en ajustant la teneur en carbone. Les polarisations interfaciales améliorées des interfaces BNNS/C et C/PVDF ont doté les nanocomposites de performances diélectriques améliorées.Quatrièmement, les hybrides TiO2@C NW structurés en noyau et en coquille ont été synthétisés par une combinaison d'une réaction hydrothermale et du procédé CVD. L'épaisseur de la couche de carbone dans les hybrides TiO2@C NW obtenus pourrait être précisément ajustée en contrôlant le temps de dépôt du carbone. De plus, les propriétés diélectriques des nanocomposites TiO2@C NWs/PVDF pourraient être ajustées avec précision en ajustant l'épaisseur de la coque en carbone. Les polarisations interfaciales améliorées des interfaces TiO2/C et C/PVDF ont doté les nanocomposites d'excellentes performances diélectriques.Enfin, des nanofils structurés de TiO2@C@SiO2 structurés à double coques ont été synthétisés par une combinaison de réactions hydrothermales modifiées, de CVD et de réactions sol-gel. L'introduction de carbone comme enveloppe interne entre le noyau de TiO2 et l'enveloppe externe de SiO2 a induit deux types supplémentaires de polarisation interfaciale. Les nanocomposites de PVDF obtenus avec TiO2@C@SiO2 NWs présentaient simultanément une constante diélectrique améliorée et des caractéristiques de perte diélectrique supprimées. La constante diélectrique et la perte de nanocomposites ont augmenté avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche interne de carbone et ont diminué avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche externe de SiO2. La relation entre la perte diélectrique et l'épaisseur de l'enveloppe extérieure en SiO2 a été démontrée par les résultats de la simulation finie.

Dielectric polymer nanocomposites with a high dielectric constant and low dielectric loss have received broad interest for use in the field of the electrostatic capacitor and they are usually composed of dielectric polymers as matrix and inorganic or organic nanofillers as the reinforcement. Generally, the improved dielectric performance of nanocomposites is decided by the type and nature of selected polymers and nanofillers as well as interfacial coupling effect between matrices and nanofillers. Among these factors, the physical properties, geometries, component structures of nanofillers play a critical role in deciding the dielectric performance of nanocomposites. According to the conductivities of nanofillers, the dielectric polymer nanocomposites can be classified into two types: conductive-dielectric polymer nanocomposites (CDPNs) and dielectric-dielectric polymer nanocomposites (DDPNs). However, the accompanied high dielectric loss in the vicinity of the percolation threshold for CDPNs and high loading of ceramic nanofillers hinders the development of high performance dielectric polymer nanocomposites.Firstly, ternary BNNSs/CNTs/PVDF nanocomposites were fabricated. The incorporation of BNNSs into the binary CNTs/PVDF nanocomposites improved the dispersion of CNTs and optimized the conductive network, which contributed to the enhanced dielectric constant. The direct connection between CNTs could be hindered by increasing the content of BNNS.Secondly, core-shell structured CNTs@AC hybrids were prepared by CVD method. The amorphous carbon layer not only hindered the direct contact of CNTs but also improved the dispersibility of CNTs in the PVDF matrix. The percolation threshold increased with the prolongation of carbon deposition time. More importantly, the dielectric loss underwent a sharp decrease after the coating process, which was attributed to the decrease in leakage current. The results suggested that the influence of AC interlayer on the final dielectric performance after percolation was much more obvious than that before percolation.Thirdly, BNNSs@C hybrids with different carbon contents were synthesized by the CVD method. The carbon fraction in the BNNSs@C hybrids could be accurately adjusted through controlling the carbon deposition time. The dielectric properties of BNNSs@C/PVDF nanocomposites could be accurately tuned by adjusting the carbon content. The improved interfacial polarizations of BNNSs/C and C/PVDF interfaces endowed the nanocomposites with enhanced dielectric performance.Fourthly, core-shell structured TiO2@C NW hybrids were synthesized by a combination of a hydrothermal reaction and the CVD method. The carbon shell thickness in the obtained TiO2@C NW hybrids could be precisely tuned by controlling the carbon deposition time. The TiO2@C NWs/PVDF nanocomposites exhibited a percolative dielectric behavior. Moreover, the dielectric properties of the TiO2@C NWs/PVDF nanocomposites could be accurately adjusted by tuning the carbon shell thickness. The enhanced interfacial polarizations of the TiO2/C and C/PVDF interfaces endowed the nanocomposites with excellent dielectric performance.Lastly, core@double-shells structured TiO2@C@SiO2 nanowires were synthesized by a combination of modified hydrothermal reaction, CVD, and sol-gel reaction. The introducing of carbon as an inner shell between the TiO2 core and SiO2 outer shell induced two additional types of interfacial polarization. The obtained PVDF nanocomposites with TiO2@C@SiO2 NWs exhibited simultaneously enhanced dielectric constant and suppressed dielectric loss characteristics. The dielectric constant and loss of nanocomposites increased with the increase of carbon inner shell thickness and decreased with the increasing of SiO2 outer shell thickness. The relationship between the dielectric loss and SiO2 outer shell thickness was further demonstrated by the finite simulation results.