Nanocomposites polymères thermoconducteurs, électriquement isolants et imprimables en 3D pour des applications de dissipation thermique.

Thermally conductive, electrically insulating and 3D printable polymer nanocomposites for thermal management applications

• Auteur / Autrice : Antoine Bodin
• Direction : Jean-Pierre Simonato, Thomas Pietri, Caroline Celle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 13/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bellet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Brioude
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : France Chabert, Aurélie Cayla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Impression 3D

Conductivité thermique

Mots clés libres

Nanomatériaux

Conductivité thermique

Impression 3D

Polymères

Nanocomposites

Résistivité électrique

Polymers

Thermal conductivity

Nanomaterials

Nanocomposites

Electrical resistivity

3D printing

Résumé

L’émergence de nouveaux systèmes microélectroniques et l’évolution des technologies de stockage de l’énergie donnent aujourd’hui naissance à des systèmes de plus en plus performants. Ces nouveaux systèmes nécessitent simultanément une miniaturisation et une intégration plus poussée des composants, générant ainsi une chaleur indésirable et potentiellement dommageable pour les systèmes en fonctionnement. Ceci impose de nouvelles exigences en matière de gestion thermique et de dissipation de chaleur lors du développement de matériaux pour les éléments structurants de batteries et autres appareils électroniques. Les matériaux polymères s’avèrent être de bons candidats pour répondre à cette problématique bien qu’ils possèdent une faible conductivité thermique intrinsèque, insuffisante pour dissiper la chaleur de manière efficace. Une stratégie prometteuse pour améliorer la conductivité thermique tout en préservant le caractère isolant électrique des matériaux polymères consiste à leur incorporer des charges thermoconductrices et isolantes électriques.D’un côté, les nanotubes de nitrure de bore (BNNTs) ont connu un essor considérable ces dernières années en raison de leurs propriétés intrinsèques uniques. En revanche, la dispersion de BNNTs purs dans les nanocomposites s’avère être difficile en raison de leur faible compatibilité avec la plupart des matrices polymères. Une approche impliquant la création de groupements hydroxyles ou le greffage d’autres molécules d’intérêt à leur surface pourrait améliorer leur dispersion ainsi que la qualité de l’interface charge-matrice. Le procédé d’oxydation douce développé dans ces travaux de thèse permet d’obtenir des BNNTs oxydés qui conservent quasi-intégralement leur structure cristalline. La conductivité thermique des nanocomposites à matrice polycarbonate (PC) fabriqués avec ces BNNTs fonctionnalisés atteint une valeur cinq fois supérieure à celle du PC pur, jusqu’à 1,19 ± 0,03 W.m-1.K-1 à 15 vol%. Ceci représente une amélioration significative par rapport aux nanocomposites fabriqués avec des BNNTs fortement oxydés, tandis que la propriété d’isolant électrique reste inchangée.D’un autre côté, les nanostructures cœur-coquille s’avèrent être particulièrement intéressantes pour le développement de nanocharges à double propriété pour la fabrication de nanocomposites thermoconducteurs et isolants électriques. Dans cette étude, de nouveaux matériaux compatibles avec la technologie d’impression 3D par dépôt de fil fondu (FDM) sont développés. Des nanofils cœur-coquille basés sur un cœur en argent hautement conducteur revêtu d’une coquille en silice électriquement isolante sont étudiés. Les performances de dissipation thermique de nanocomposites à matrice polycarbonate sont analysées au moyen de diverses caractérisations afin de déterminer l’épaisseur optimale de la coquille SiO2 (≈ 20 nm). Ces nanocharges cœur-coquille confèrent au nanocomposite une conductivité thermique de 2,08 ± 0,05 W.m-1.K-1 à 3 vol%, tout en conservant un comportement d’isolant électrique (résistivité électrique > 1012 Ω.cm) et une rhéologie compatible avec le procédé d’impression 3D par FDM. La qualité de la dispersion et la cohésion des nanocharges avec la matrice à l’interface jouent un rôle clé dans l’obtention de ces performances. De plus, grâce à l’alignement des nanocharges 1D lors de l’impression par FDM, la conductivité thermique des nanocomposites atteint une valeur remarquable égale à 3,48 ± 0,06 W.m-1.K-1 dans la direction d’impression, quinze fois supérieure à celle mesurée pour le PC pur.

The rapid growth of new microelectronic systems and the evolution of energy storage technologies have resulted in increasingly powerful systems. Such new systems simultaneously require greater miniaturization and further integration of components, thereby generating undesirable and potentially damaging heat for systems in operation. This is raising new concerns about thermal management and heat dissipation when developing materials for structural elements in batteries and other electronic devices. Polymeric materials are particularly well suited for meeting these requirements, despite their low intrinsic thermal conductivity which is insufficient to dissipate heat efficiently. A promising strategy for improving thermal conductivity while preserving the electrical insulating properties of polymer materials is to incorporate thermally conductive and electrically insulating fillers.On the one hand, boron nitride nanotubes (BNNTs) have gained considerable attention in recent years due to their unique intrinsic properties, particularly for the fabrication of polymer nanocomposites. However, dispersing pristine BNNTs in nanocomposites is challenging due to their poor compatibility with most polymer matrices. An approach involving the creation of hydroxyl groups (covalently) or the grafting of other molecules of interest (covalently or non-covalently) onto their surface could improve their dispersion as well as the quality of the filler matrix interface. The mild oxidation process developed in this PhD work enables the production of oxidized BNNTs that retain their crystalline structure almost intact. The thermal conductivity of polycarbonate (PC) nanocomposites produced with these modified BNNTs reaches a value five times higher than that of pure PC, up to 1.19 ± 0.03 W.m-1.K-1 at 15 vol% loading. This represents a significant improvement over nanocomposites made with severely oxidized BNNTs, while the electrical insulating property remains unchanged.On the other hand, core-shell nanostructures have proved to be particularly interesting for the development of dual-property nanofillers for the fabrication of thermally conductive and electrically insulating nanocomposites. In this study, new materials compatible with fused deposition modeling 3D printing technology (FDM) are developed. Core-shell nanowires based on a highly conductive silver core coated with an electrically insulating silica shell are investigated. The heat dissipation performance of polycarbonate nanocomposites is analyzed by means of various characterization techniques to determine the optimal SiO2 shell thickness (≈ 20 nm). These core-shell nanofillers give the PC nanocomposite a thermal conductivity of 2.08 ± 0.05 W.m-1.K-1 at 3 vol% loading, while retaining electrical insulating behavior (electrical resistivity > 1012 Ω.cm) and a rheology behavior compatible with the FDM 3D printing process. The quality of dispersion and the cohesion of the nanofillers with the matrix at the interface play a key role in achieving these performances. Moreover, as a result of the alignment of 1D nanofillers during FDM printing, the thermal conductivity of nanocomposites reaches a remarkable value of 3.48 ± 0.06 W.m-1.K-1 in the printing direction, which is fifteen times higher than that measured for pure PC.