Développement de matériaux composites thermoplastiques pour des applications de blindage électromagnétique : modélisation, formulation, procédés et propriétés

Development of thermoplastic composite materials for applications of electromagnetic interference shielding : modeling, formulation, process and properties

• Auteur / Autrice : Hubert Lecocq
• Direction : Philippe Cassagnau, Anatoli Serghei
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères & composites
• Date : Soutenance le 26/03/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Éliane Espuche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Cassagnau, Anatoli Serghei, François Lequeux, Paula Moldenaers, Olivier Lhost, Edith Peuvrel-Disdier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Lequeux, Paula Moldenaers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermoplastiques

Nanotubes

Polyoléfines

Blindage (électricité)

Innovation

Composites

Mots clés libres

Blindage électromagnétique

Matériaux composites

Nanotubes de carbone

Polypropylène

Rhéologie

Conductivité électrique

Polymères thermoplastiques

Charges hybrides

Electromagnetic interference shielding

Composite materials

Carbon nanotubes

Polypropylene

Rheology

Electrical conductivity

Thermoplastic polymers

Hybrid fillers

Résumé

Ces travaux portent sur le développement d’un matériau composite polyoléfine aux propriétés de blindage électromagnétique (EM). L’objectif du projet est fixé à une valeur d’efficacité de blindage de 40 dB (99,99% de la puissance d’une onde incidente bloquée) à 1mm d’épaisseur dans une large gamme de fréquence s’étendant de 100 MHz à 10 GHz incluant de nombreuses applications dans l’électronique nomade ou les voitures connectées par exemple. La densité du matériau et ses propriétés mécaniques doivent demeurer proches de celles de la matrice pure. Aucune étude de la littérature ne remplit toutes ces conditions à la fois, soulignant le défi posé par ce projet de recherche. Comprendre la physique du blindage EM des matériaux composites est également une problématique importante de ces travaux. Le début de ces travaux s’est concentré sur l’étude de composites à base de nanotubes de carbone qui ont présenté de bonnes propriétés de blindage mais insuffisantes pour le projet en raison de leur conductivité électrique limitée. Le développement parallèle d’un premier modèle théorique nous a permis d’identifier les paramètres pertinents au blindage EM et nous a ainsi orienté vers l’étude de composites à base de charges métalliques de plus grande conductivité. La densité élevée de ce type de charges nécessite cependant de limiter leur concentration dans le matériau et donc de développer des stratégies pour abaisser leur seuil de percolation électrique. Le métal à l’état liquide s’est avéré incompatible avec le polymère fondu en raison des valeurs trop importantes de tension interfaciale et de rapport de viscosité. Le meilleur candidat est une charge hybride de densité modérée et de haute conductivité métallique. L’ajout d’acide gras, dont l’effet inattendu sur la morphologie du composite a été identifié et expliqué, a été associé à une augmentation des propriétés de blindage du composite atteignant et dépassant les objectifs fixés. Le comportement en blindage EM de ces composites a été modélisé en considérant l’auto-inductance des charges métalliques et donc en ajoutant une composante inductive à la conductivité du composite. Ce modèle s’est également avéré capable de prédire le blindage de matériaux composites chargés en particules métalliques issus de la littérature. Ainsi, ces travaux contribuent de façon significative au développement de nouveaux matériaux composites polymères aux propriétés de blindage et à leur mise en œuvre, ainsi qu’à la compréhension de la physique et des mécanismes du blindage EM dans les matériaux composites.

In this work we present the development of a polyolefin composite material with electromagnetic interference (EMI) shielding properties. The project objective is set to a shielding effectiveness of at least 40 dB (99.99% of the wave power blocked) for a film thickness of 1mm over a broad frequency range spanning from 100 MHz to 10 GHz that includes many applications that can be found in consumer electronics or connected cars for instance. Composite material density and mechanical properties are expected to remain as close as possible to the pure polymer matrix. No study found in the literature complies with all these specifications, highlighting the challenge of such a research project. Understanding the physical mechanisms of EMI shielding in polymer composite materials is also an issue of this work. In the project, we first focused on the study of carbon nanotubes-based composite materials that displayed good but not satisfying EMI shielding properties due to limited electrical conductivity. Development of a first theoretical model enabled us to identify the relevant composite properties for shielding and oriented our attention on composites filled with metallic fillers. The high density of this kind of fillers however required a low concentration in the composite materials and strategies to lower fillers electrical percolation. Liquid metal revealed to be incompatible with molten polymer because of high values of interfacial tension and viscosity ratio. A hybrid filler of moderate density but high metallic conductivity was found to be the best candidate. The addition of a fatty acid led to improved shielding properties that reached and surpassed the set objectives. The unexpected effect of the fatty acid on material morphology was identified and explained. Finally, the shielding properties of these composite materials could be theoretically modeled considering the self-inductance of metallic fillers and adding an inductive component to the composite electrical conductivity. The model was also found to correctly predict shielding properties of composite materials filled with metallic fillers from the literature. Thus, this work has significantly contributed to the development of novel polymer composite materials for EMI shielding, to the processing of these materials and to the understanding of EMI shielding physics.