Les besoins en électronique de puissance, de plus en plus exigeants, ont motivé des recherches à l'échelle mondiale sur d'autres matériaux tels que le diamant comme remplaçant du silicium. Nos travaux de recherche sont plus spécifiquement axés sur la définition et la qualification de matériaux polymères capables de garantir l'intégrité des fonctions physiques de modules de puissance en environnement sévère. L'étude concerne la durabilité de candidats polymères à retenir pour le boîtier dont l'objectif est de protéger l'interrupteur de l'environnement extérieur. Suite aux choix des différents polymères étudiés, variables dans leur chimie et leur morphologie (amorphe ou semi-cristallin), un premier objectif scientifique est alors de chercher les relations structures/propriétés permettant de contrôler le procédé de mise en forme des polyimides semi-cristallins et d'en déduire les conditions requises à l'obtention de performances optimisées. Un second objectif a concerné la tenue des différents matériaux sélectionnés en vieillissements isothermes thermo-oxydatifs. / Requirements in power electronics are more and more demanding about materials behavior in their operating conditions. This has motivated global scale researches about other materials replacing silicon such as diamond. This study is specifically focusing on the definition and qualification of polymer materials which could preserve physical functions of power modules in severe environments. This study focuses on the durability of several polymers used for the case. This later allows to protect the chip from external environment. The choice of different studied polymers which are dissimilar in chemistry and morphology (i.e. amorphous or semicrystalline) has been made in this study. Then, a first scientific goal was to search the structures/properties relations leading to the control of the manufacturing process of semicrystalline polyimides. A second goal concerned the mechanical strength evaluation of selected materials after thermo-oxidative isothermal ageing.

Malgré les efforts de la communauté scientifique, les cellules solaires multijonctions à base de matériaux amorphes, sont limitées par la dégradation sous lumière des matériaux actifs qu'elles emploient - notamment, le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) ou le silicium-germanium amorphe (a-SiGe:H). Compte tenu de la facilité avec laquelle les dispositifs multijonctions peuvent être fabriqués dans cette filière couches minces, pour que cette filière reste compétitive sur le marché photovoltaïque, il est nécessaire de déposer des matériaux présentant les meilleures propriétés de transport possible, avec une énergie de gap variable comprise entre celle du silicium microcristallin hydrogéné (µc-Si:H, 1.1 eV) et celle du a-SiH (1.7 eV), et peu sensibles au vieillissement sous lumière. Le but de ces travaux de thèse était de développer une nouvelle classe de matériaux satisfaisant les critères précédemment cités, alliant carbone et silicium. En effet, les alliages silicium-carbone microcristallins hydrogénés (µc-Si1−xCx:H), sont des candidats prometteurs pour la réalisation de cellules photovoltaïques (PV): d'une part, la structure microcristalline devrait les rend moins sensible au vieillissement sous lumière, et d'autre part, il est possible de faire varier l'énergie de gap en modifiant le taux de carbone de l'alliage. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés structurales et électriques de ces alliages à l'aide de nombreuses techniques de caractérisation complémentaires, et en faisant varier de nombreux paramètres de dépôt afin de déterminer celles permettant d'obtenir les meilleures propriétés possibles. Nous avons montré en particulier que ces alliages sont composés de cristallites de taille sous-micrométrique, enrobé dans une matrice de silicium-carbone amorphe (a-Si1−xCx:H). En plus, ces matériaux sont caractérisés par une croissance colonnaire, typique du µc-Si:H, avec la taille moyen des grains qui est contrôler en prévalence par la puissance RF utilisé pour le dépôt. L'incorporation de carbone, qui ne peut pas se passer dans la phase cristalline, cause la formation d'un tissue amorphe interstitielle qui enrobe les grain et en empêche la croissance. Ainsi, l'analyse de l'ensemble de nos résultats nous a permis de proposer un modèle cohérent de la croissance de ces alliages. Les propriétés électriques de nos matériaux ont été étudiées à l'aide des mesures de courant d'obscurité et de photocourant en régime stationnaire, de spectroscopie par interférométrie laser et de photocourant modulé. Nous avons pu établir une corrélation directe entre les propriétés électriques et les conditions de dépôt, mettant notamment en évidence que la présence des cristallites assure une conductivité plus élevée par rapport à du a-Si1−xCx:H, et que l'incorporation de carbone amène à des énergies de gap plus grandes que celle du µc-Si:H. Nous avons également montré que les meilleurs matériaux étaient obtenus pour des puissances RF faibles, de l'ordre de 113 mW/cm2. Des résultats de caractérisation de cellules photovoltaïques de type p-i-n ou n-i-p réalisées à partir de nos alliages, ont été aussi présentés. Les rendements obtenus restent encore modestes (de l'ordre de 3,5%) mais nous avons mis en évidence qu'il est possible de faire varier la tension de circuit ouvert (Voc) des cellules en changeant le taux de carbone incorporé dans les alliages. Ainsi, un paramètre autre que la dilution de silane lors du dépôt peut être utilisé pour contrôler Voc. Ces dispositifs sont les tout premiers déposés et nécessitent encore des étapes d'optimisation. Néanmoins, l'étude approfondie que nous avons réalisée sur ces alliages nous laisse penser qu'ils ont un potentiel intéressant pour les applications PV. / Despite continuous effort, thin-film silicon multi-junction solar cells are still limited by the light-induced degradation of amorphous materials that they employ − hydrogenated amorphous silicon layers (a-Si:H) or amorphous silicon-germanium (a-SiGe:H) layers. To survive, this technology must fully benefit from the ease with which it allows multi-band gap photovoltaic (PV) devices to be assembled. To this end, materials that are stable under light soaking and have an electronic band gap between that of hydrogenated microcrystalline silicon (µc-Si:H, 1.1 eV) and that of a-Si:H (1.7 eV) are needed. The goal of this PhD thesis was to develop a new class of materials satisfying all these requirements by alloying carbon and silicon. Indeed, hydrogenated microcrystalline silicon-carbon alloys (µc-Si1−xCx:H) are a promising candidate for expanding the toolbox of useful materials for thin-film photovoltaics. The interest in these alloys lies in the possibility of easily varying their effective band gap by changing the amount of carbon in their composition. In this thesis, the usefulness of such materials in thin-film PV devices was probed using a broad range of deposition and characterization techniques. Using thin-film growth techniques at low temperatures (175−300° C), the range in which such electronically useful materials can be grown has been explored. It was confirmed that even in the condition of small crystallites, no stable sub-stoichiometric Si-C crystalline phase exists (i.e. no parallel for silicon-rich c-SiGe has been observed). Under all deposition techniques utilized, these materials were composed of submicron-size silicon crystallites embedded in an amorphous silicon-carbon (a-Si1−xCx:H) matrix. However, while the presence of the crystallites assures a higher conductivity compared to a-Si1−xCx:H, the carbon incorporation leads to an effective energy gap larger than that of microcrystalline silicon, supporting our investigation of these materials as promising optoelectronic layers. In the first part of this work, different Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition strategies have been investigated to achieve the widest range of processing conditions and to learn the most about the growth conditions required to produce a high quality µc-Si1−xCx:H material. Material properties were extensively characterized both on the structural side and also from an electrical point of view, in order to establish a correlation between the deposition parameters and the microstructural, transport and defect-related properties. The extensive set of results has allowed the proposal of a coherent growth model for such µc-Si1−xCx:H thin films. Exploiting these results, PV devices using these alloys as active layers were made. Although the absolute levels of efficiency (around 3.5 %) are not as high as state-of-the-art microcrystalline silicon, this work showed that it is possible to obtain variations in the open circuit voltage by varying the amount of carbon incorporated in such µc-Si1−xCx:H alloys. This important result shows that a process parameter other than silane dilution can be used to control this aspect of device performance. PV performances are modest so far, which is expected as these are the first ever results concerning the application of such a new class of materials as the active layer in thin-film solar cells. However, with further advancements in such materials, their replacement of the less stable a-SiGe:H is not unforeseeable.

Ces travaux de thèse ont consisté à mener une étude approfondie des propriétés physico-chimiques du parylène C, qui est un polymère chloré, en lien avec ses propriétés électriques et diélectriques. Ces dernières ont cerné principalement le comportement de la constante diélectrique et des pertes diélectriques en fonction de la température (de l'azote jusqu'à 300 °C) sur une plage de fréquence étendue (10-4 Hz - 1 MHz). Les analyses par diffraction des rayons X ont montré que ce polymère présentait une structure cristalline a- monoclinique avec un taux de cristallinité de 45 % après élaboration. Ce taux est faiblement dépendant de l'épaisseur pour des couches d'épaisseurs supérieures à 50 nm. Des recuits spécifiques appliqués sur le parylène C au dessus de la température de transition vitreuse ont permis de modifier le taux de cristallinité et des valeurs de 30% à 75 % ont pu être obtenues. Une relation linéaire entre le taux de cristallinité et la température de recuit a été proposée. Les analyses diélectriques ont permis de mettre en évidence trois mécanismes principaux de relaxation : La relaxation b, la relaxation g et la relaxation a. Par ailleurs, un mécanisme de polarisation interfaciale de type Maxwell-Wagner-Sillars (MWS) a été identifié à haute température (au-delà de la transition vitreuse). La mobilité moléculaire des chaînes autour de la température de transition vitreuse a été analysée en profondeur et les résultats (indice de fragilité, paramètres thermodynamiques...) ont été positionnés par rapport aux données de la littérature concernant d'autres polymères.

Un mélange de Kynar-PVDF et de l'acide poly(2-acrylamido-2-méthyl-1-propane sulfonique) (PAMPS) est envisagé comme matériau de membrane pour pile à combustible. Le mélange est réalisé en solution dans le diméthylformamide et la membrane est obtenue après évaporation du solvant à différentes températures.<br />Les solubilités en solution du polyélectrolyte puis du mélange sont étudiées. Les morphologies des membranes et la cristallinité du Kynar sont ensuite caractérisées. Un comportement de type LCST est mis en évidence. L'utilisation de contre-ions tétrabutylammonium (TBA) permet d'obtenir des mélanges miscibles. Le TBA est ensuite échangé, la forme acide du PAMPS étant nécessaire au fonctionnement en pile. La perméabilité à l'eau et la conductivité ionique sont enfin caractérisées. Une nanostructuration de type bicontinu est particulièrement efficace pour l'application envisagée. Pour stabiliser cette morphologie, un copolymère polyélectrolyte réticulable est synthétisé.

Nous nous sommes intéressés à l'optimisation de la dispersion des nanotubes de carbone (CNTs) dans une matrice semi-cristalline : le polyamide 6 (PA-6), et une matrice vitreuse : le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA). Nous avons réalisé des dispersions dans le PA-6 et le PMMA par voie fondu. Nous avons montré que la conductivité et le seuil de conductivité étaient nettement améliorés après un post traitement thermique, quelle que soit la matrice (PMMA ou PA-6). Dans le cas du PMMA, l'étude cinétique de la conductivité en fonction de la température nous a permis de préciser le mécanisme de formation de contacts entre CNTs observé dans le fondu. Une étude structurale et morphologique des composites de PA-6 a été réalisée. Nous montrons la disparition des sphérolites de PA et avons mis en évidence la croissance de lamelles trans-cristallines de PA-6 perpendiculairement à la surface des CNTs. Les CNTs ont aussi été dispersés à partir d'un pré-composite copolymère à blocs/nanotube. Le copolymère à blocs utilisé est un polystyrène-b-polybutadiène-b-polyméthacrylate de méthyle (SBM), les différences de compatibilité de chaque bloc avec les CNTs, la matrice ou le solvant sont utilisées pour stabiliser et disperser les CNTs. L'utilisation du SBM a permis d'améliorer l'état de dispersion dans les deux matrices pour deux méthodes de dispersion : par voie solvant et par voie fondu. Dans le PA-6, l'utilisation du SBM a également permis d'abaisser le seuil de conductivité, grâce à une localisation spécifique des CNTs. Ils sont localisés à l'interface PA-6/SBM pour les pré-composites réalisés par voie fondu et dans la matrice PA-6 pour les pré-composites réalisés par voie solvant.

Les thermoplastiques hautes performances poly(éther-cétone-cétone) (PEKK) sont actuellement étudiés avec un grand intérêt dans l’industrie aéronautique comme matrice pour la fabrication de pièces de structure composites renforcées par des fibres de carbone. En effet, les composites thermoplastiques PEKK ont l’avantage d’être consolidables hors autoclave et ont des températures de mise en œuvre plus faibles que les composites PEEK.L’objectif de cette étude est de comprendre et prédire l’évolution des propriétés mécaniques des composites PEKK suivant le cycle thermique de mise en œuvre pour déterminer les paramètres de mise en œuvre optimaux pour la fabrication des pièces composites PEKK concernant les temps de mise en œuvre et les performances mécaniques finales.Une première partie traite de la modélisation des cinétiques de cristallisation des matrices PEKK ainsi que l’influence de la cristallinité et des morphologies cristallines sur les propriétés mécaniques des matrices PEKK. Une deuxième partie se concentre sur les modifications macromoléculaires des matrices PEKK pour des hautes températures de mise en œuvre sous air et sous azote et leurs impacts sur la cristallisation et les performances mécaniques des matrices PEKK. Enfin une dernière partie présente l’influence des fibres de carbones sur les morphologies cristallines et les cinétiques de cristallisation, la fabrication de composites PEKK unidirectionnels et tissés à ± 45° sous presse et sous autoclave et enfin l’impact de la cristallinité et des morphologies cristallines sur les performances mécaniques finales des composites PEKK. / Poly(ether-ketone-ketone) (PEKK) high performance thermoplastics are currently studied with a great interest by the aeronautic industry as matrix for carbon fiber reinforced structural parts. In fact, PEKK composites can be consolidated out of autoclave and they have lower processing temperatures than PEEK composites.The aim of the study was to investigate and predict the evolution of PEKK composite mechanical properties depending on the processing thermal cycle to determine the best processing parameters for PEKK composite part manufacturing regarding processing times and final mechanical performances.A first part investigates the crystallization kinetics modelling of PEKK matrices and the influence of crystallinity and crystalline morphologies on PEKK matrix mechanical properties. A second part focuses on the macromolecular modifications of PEKK matrices at high processing temperatures under air and nitrogen and their impact on PEKK matrices crystallization and mechanical properties. A last part presents the influence of carbon fibers on crystalline morphologies and crystallization kinetics, the manufacturing of unidirectional and ± 45° PEKK composites under press and autoclave and finally the impact of crystallinity and crystalline morphologies on PEKK composite mechanical properties.

L'obtention de copolymères à blocs occupe maintenant une place considérable dans la chimie macromoléculaire depuis l'avènement de nouvelles techniques de polymérisations contrôlées (polymérisation anionique coordinée, polymérisation cationique. polymérisation radicalaire contrôlée, ...) en plus de la polymérisation anionique Ces polymérisations contrôlées sont le seul moyen d'obtenir des polymères bien définis et plus particulièrement des copolymères à blocs en étoile. Pour ces copolymères à blocs, le couplage de deux polymères offre l'avantage de combiner leurs propriétés souvent divergentes (des blocs hydrophiles et des blocs hydrophobes, des blocs ioniques et des blocs non ioniques, des blocs rigides et des blocs mous, des blocs amorphes et des blocs cristallins) dans une seule structure. Un intérêt croissant s'est récemment développé pour les copolymères à blocs comportant des polymères biocompatibles et des polymères fonctionnalisés. L'auto-assemblage de copolymères à blocs dans des solvants sélectifs ainsi que la micellisation des copolymères à blocs et leur efficacité en tant que stabilisants d'émulsions sont particulièrement étudiés dans la littérature. Les PDMS sont des matériaux extrêmement intéressants, car ils possèdent de nombreuses propriétés physico-chimiques comparés aux autres polymères: températures de transition vitreuse faibles (env. -120°C) très grande flexibilité de la chaîne, bonne résistance à l'oxydation, résistance thermique et aux UV hydrophobicité, biocompatibilité, haute perméabilité aux gaz et faible énergie de surface. En dépit de leurs nombreuses propriétés particulières, les homopolymères PDMS sont mécaniquement trop faibles pour être utilisés dans différentes applications pratiques. En raison de leurs grands volumes de leur faible énergie de surface et de leur haute flexibilité de chaîne, les PDMS tendent à être rejetés de la matrice quand ils sont mélangés avec d'autres polymères. Un moyen efficace d'augmenter la compatibilité de ces mélanges est de former des copolymères siloxane-polymère organique. La poly(e-caprolactone) (PCL), un polyester aliphatique linéaire, est un polymère biocompatible et biodégradable et il est bien connu pour être miscible avec une grande variété de polymères. Les copolymères à blocs basés sur le PDMS et la PCL combinent les excellentes propriétés du PDMS avec l'effet de compatibilisation de la PCL. Cela en fait d'excellents candidats comme additifs pour la modification de surface, l'encapsulation de médicaments et dans des applications en tant que biomatériaux. La première partie de ce travail de thèse porte sur la synthèse de différents copolymères diblocs (PCL-b-PDMS), triblocs (PCL-b-PDMS-b-PCL) et en étoile (PCL)2-PDMS de masses molaires variables, par polymérisation anionique coordinée de l'e-caprolactone à partir d'un macroamorceur PDMS mono- ou dihydroxylé. Les copolymères à blocs synthétisés ont été caractérisés pour montrer l'influence de leur structure (linéaire ou étoile) sur leurs propriétés thermiques (température de transition vitreuse, température et enthalpie de fusion) et leur morphologie (taux de cristallinité).Le poly(chlorure de vinyle) non plastifié (PVC) est un polymère amorphe, linéaire, thermoplastique, avec un grand intérêt commercial. Quand il est plastifié, le PVC présente des propriétés intéressantes permettant des applications dans le domaine biomédical (tubes de sang pour l'hémodialyse, tubes endotrachéales, cathéters, lentilles de contact, gants, ainsi que l'emballage pour l'entreposage des médicaments). Parmi les plastifiants polymères qui peuvent être utilisés pour le PVC, les polyesters aliphatiques sont d'un grand intérêt, en particulier la poly(e-caprolaclone). Pour conférer une hémocompatibilité il peut être ajouté à ces mélanges des polysiloxanes, en particulier des poly(dimethylsiloxanes).

Nous avons étudié les propriétés de cristallisation sous traction du 1,4 poly-cis-isoprène naturel (CN) en<br />fonction de la température, du taux de réticulation et du pourcentage de charge ajoutée (noir de carbone). Le<br />taux de cristallinité a été mesuré par diffraction X et l'orientation des chaînes polymères dans la phase<br />amorphe par RMNdu deutérium. Nous avons pu établir que l'hystérésis mécanique observée lors d'un cycle<br />de traction était essentiellement due au phénomène de cristallisation sous traction. Dans le cas des<br />échantillons non chargés, le début de la cristallisation se traduit par un adoucissement de la contrainte ; ceci<br />est observé jusqu'à une cristallinité de 15% environ, au-delà de laquelle on observe au contraire un<br />durcissement apparaissant à une extension critique qui varie selon le matériau et les adjuvants contenus dans<br />le caoutchouc. Durant la phase de décharge, on observe fréquemment une instabilité géométrique<br />correspondant à la séparation macroscopique d'une phase amorphe et d'une phase semi-cristalline<br />(« striction inverse ») ; cet effet a été étudié en détail. Il est vraisemblable que le même phénomène de<br />micro-striction se produise localement dans les matériaux où la striction inverse n'est pas visible. Dans le<br />cas des matériaux chargés, seule la phase de durcissement est visible.<br />La quantité d'énergie dissipée H liée à l'hystérésis mécanique n'est fonction que du taux de cristallinité<br />maximale Cmax atteint durant le cycle. Nous avons montré que la composante viscoélastique de cette<br />hystérésis est faible (Hvisco<10% lorsqu'il y a cristallisation) : la résistance à la rupture de ces matériaux est<br />donc essentiellement due à la cristallisation sous contrainte.<br />Nous avons en outre pu établir que dans les matériaux chargés, l'effet de durcissement dû à la cristallisation<br />était fortement amplifié par la présence des charges.<br />Dans la cas de matériaux non chargés, la RMN a permis de mettre en évidence la relaxation des chaînes due<br />à la cristallisation : ce phénomène est observé y compris dans la phase de durcissement.<br />Des études complémentaires ont été menées sur d'autres types d'élastomères : polybutadiène,<br />polychloroprène, butyl ... Le lien entre renforcement et cristallisation a pu également y être mis en<br />évidence.

Nous avons étudié l'auto-adhésion de polymères semi-cristallins de taux de cristallinité variable, par un test de fracture des interfaces formées entre leur température de fusion, Tf, et leur température de transition vitreuse, Tg, dans le but de définir le rôle de la cristallinité sur l'adhésion. Nous avons utilisé des copolymères de polybutylène(téréphthalate-co-isophthalate). Pour les polymères pré-cristallisés, l'énergie de fracture, Gc, diminue fortement avec la température de contact (pour Tcontact

Les revêtements poudres UV suscitent un développement croissant en raison, entre autres, de leurs qualités et de leur respect de la législation sur la minimisation des émissions polluantes. Un nouveau revêtement poudre UV à base de (co)polyamide de faible masse molaire et porteur de fonctions réactives sous UV a été élaboré en vue d'une application sur des supports sensibles aux hautes températures. Nous avons donc synthétisé un copolyamide 6/11/12 alpha, oméga-insaturé présentant une température de fusion de 107°C et une masse molaire moyenne en nombre de 7250 g/mol. L'irradiation sous UV de ce copolyamide, en présence de 4 % en masse de benzophénone, a permis, par polymérisation des doubles liaisons allyliques et formation des liaisons covalentes au niveau des ponts amide, de compenser la perte de cristallinité en le réticulant. Le revêtement obtenu, bien que restant à optimiser, a montré globalement de meilleures propriétés que celles des matériaux références fournis par Arkema.