Caractérisation des propriétés électriques et des coefficients Kerr de deux hydrofluoroethers utilisés en électrofluidodynamique

Characterization of electrical properties and Kerr coefficients of two hydrofluoroethers used in electrohydrodynamics

• Auteur / Autrice : Michelle Nassar
• Direction : Christophe Louste, Anny Michel, Michel Daaboul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Serge Agnel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Louste, Anny Michel, Michel Daaboul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alberto Pérez Izquierdo, Nelly Bonifaci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amorçage (électricité)

Conduction électrique

Spectroscopie diélectrique large bande

Électrofluidodynamique

Kerr, Effet

Diélectriques

Mots clés libres

Électrohydrodynamique (EHD)

Hydrofluoroethers (HFE)

Pompes EHD

Liquides diélectriques

Comportement électrique

Propriétés électriques

Conductivité

Permittivité

Tension de claquage

Spectroscopie

Comportement thermique

Modèle de Thomson

Régimes de conduction

Caractéristiques courant-Tension

Simulation numérique

Effet Kerr

Couches chargées

Interfaces solide/liquide

Electrohydrodynamic (EHD)

Hydrofluoroethers (HFE)

EHD pumps

Dielectric liquids

Electrical behavior

Electrical properties

Conductivity

Permittivity

Breakdown voltage

Spectroscopy

Thermal behavior

Thomson's model

Conduction regimes

Current-Voltage characteristics

Numerical simulation

Kerr effect

Charged layers

Solid/liquid interfaces

Résumé

Les dispositifs électriques, notamment embarqués, sont de plus en plus compacts et nécessitent toujours plus de puissance. Or, tous ces composants électriques produisent de la chaleur qu’il faut absolument évacuer pour maintenir un fonctionnement optimal. Dans cet objectif, l’équipe électrofluidodynamique de l’institut Pprime développe des systèmes électrohydrodynamiques (EHD) qui ont déjà montré de nombreux avantages pour les applications aussi bien spatiales que terrestres. Pour fonctionner de façon optimale, les systèmes EHD utilisent des liquides diélectriques avec un impact écologique faible comme les Hydrofluoroethers (HFE) dont le comportement électrique est mal connu. L’objectif du travail réalisé dans cette thèse est de caractériser la variation des propriétés électriques des HFE 7000 et 7100 en fonction de la température. Plusieurs méthodes ont été employées pour analyser le comportement électrique en basse tension ; une première méthode conforme aux directives de la normes CEI 61620 puis une seconde basée sur la spectroscopie diélectrique. L’étude est ensuite élargie au comportement thermique sous haute tension. L’analyse des caractéristiques courant-tension permet de mettre en évidence les trois zones typiques de comportement : ohmique, quasi-ohmique et d’injection et ainsi de définir les limites des régimes de conduction et d’injection. Cette partie haute tension aborde également, dans le respect la norme CEI 60156, le problème de la rigidité diélectrique des deux HFE à différentes températures en phase gazeuse et en phase liquide. Enfin, une étude préliminaire novatrice sur l’effet Kerr dans le HFE-7100 est réalisée. Elle montre que cet effet électro-optique peut être utilisé pour l’étude du développement des couches chargées aux interfaces HFE/électrodes. En conclusion, les résultats obtenus dans ce travail apportent une contribution à la compréhension du comportement électrique des HFE. Ceci est nécessaire pour améliorer et optimiser les performances des systèmes EHD fonctionnant avec ces liquides.

Electrical devices, especially embedded ones, are becoming more and more compact and require higher power consumption. In fact, all these electrical components produce heat that must be evacuated to maintain an efficient operation. In this context, the electrofluidodynamics team at the Pprime Institute works on developing electrohydrodynamic (EHD) systems that have shown numerous advantages for both spatial and terrestrial applications. In order to achieve an optimized performance, EHD systems use eco-friendly dielectric liquids, such as Hydrofluoroethers (HFE), whose electrical behavior is not well defined yet. The objective of the current work is to characterize the variations of the electrical properties of HFE 7000 and 7100 in function of temperature. Several methods are used to analyze the electrical behavior of these liquids at low voltage. The first method is in accordance with the guidelines of the IEC 61620 standard and the second one is based on dielectric spectroscopy. The study is then extended to the thermal behavior under high voltage. The analysis of the current-voltage characteristics makes it possible to highlight the three typical zones of the electrical behavior: ohmic, quasi-ohmic and injection, and thus to define the limits of the conduction and injection (or ion-drag) regimes. The study at high voltage also addresses, in compliance with the IEC 60156 standard, the problem of the dielectric strength of the two HFEs at different temperatures in both gas and liquid phases. Finally, an innovative preliminary study on the Kerr effect in HFE-7100 is conducted. It shows that this electro-optical effect can be used to study the development of charged layers at the HFE/electrode interfaces. In conclusion, the results obtained in this work contribute to the understanding of the electrical behavior of HFEs. This is necessary to improve and optimize the performance of EHD systems working with these liquids.