Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les matériaux diélectriques sont utilisés dans le domaine de l'aérospatial pour assurer la régulation thermique des engins spatiaux. Ils sont soumis à un environnement chargeant composé de rayonnements ionisants tels que les électrons ou les protons. Un stockage de ces charges se produit dans le volume du matériau et engendre des dégradations et un vieillissement prématuré amenant à une perte de fiabilité globale du système qui doit être anticipée. Le but de ce travail de thèse a été d'évaluer la densité de charges d'espace injectées au sein d'un matériau diélectrique pendant une irradiation électronique afin de recréer partiellement l'environnement radiatif auquel il peut être soumis. Pour mener à bien ce projet, nous avons utilisé un dispositif expérimental basé sur la méthode Electro-Acoustique Pulsée (PEA) couramment utilisé dans le domaine du génie électrique. Nous avons développé une électrode de mesure innovante sans contact et circulaire permettant la mesure pendant irradiation électronique car les dispositifs expérimentaux précédents ne le permettaient pas. Ce type de mesures n'avait jamais été réalisé ailleurs auparavant, ce qui un vrai apport pour ce domaine d'étude car il permet de conserver l'échantillon dans une configuration proche de son utilisation finale. L'électrode est basé sur une ligne de transmission de type microstrip. Dont les caractéristiques géométriques ont été déterminées d'une part avec le logiciel Orcad PCB Editor, mais aussi avec le logiciel COMSOL Multiphysics. La validation expérimentale a été menée et les premières mesures réalisées dans l'enceinte d'irradiation MATSPACE du laboratoire ont permis de mettre en évidence le bon fonctionnement de l'électrode et de valider les résultats de simulation obtenus précédemment. Le traitement du signal a également été adapté pour cette nouvelle configuration. Une étude a ensuite été menée avec différentes énergies cinétiques (comprises entre 50 et 100 keV) et différentes densités de flux électronique (0.5 à 2 nA/cm2) pour la phase d'irradiation suivi d'une phase de relaxation (maintien de l'échantillon sous vide) afin de suivre la dynamique des charges d'espace implantées au sein du diélectrique. La représentation par cartographie de la quantité de charges injectées en volume permet de suivre aisément l'évolution de cette dernière en fonction du temps. Ce travail de thèse a permis d'atteindre les objectifs fixés concernant la réalisation de mesures pendant une irradiation électronique. Ce dispositif de caractérisation peut également être utilisé sur des films polymères issus du domaine du génie électrique, les conditions d'irradiation étant contrôlées. Dans un futur proche, ce prototype d'électrode pourra être associé à un capteur à haute résolution spatiale développé dans l'équipe pour un système encore plus performant. / Dielectric materials are widely used in space industries to ensure the spacecrafts thermal regulation. Spacecrafts are submitted to charging environment made of ionizing rays as electrons and protons. These charges are trapped in the material bulk and cause degradations and premature ageing and a global loss of reliability which had to be anticipated. The aim of this work was to evaluate the injected space charges density in a dielectric material during an electronic irradiation in order to partially reproduce the radiative environment. To lead this study, we used an experimental set up based on Pulsed Electro Acoustic (PEA) Method commonly used in electrical engineering. We have developed a new ring and contactless excitation electrode allowing to perform measurements during an electronic irradiation because the previous experimental setups don't allow to realize measurements during an electronic irradiation. This kind of measurements are performed for the first time ever in scientific research which is a real innovation for this research field because it is possible to keep the dielectric sample under vacuum and to be near the space environment. The new electrode is based on a signal transmission line (microstrip). Its geometric characteristics have been determined with two softwares as Orcad PCB Editor and COMSOL Multiphysics. The experimental validation has been led and the first measurements are performed in the irradiation chamber called MATSPACE allowing to highlight the good working of this new electrode and to validate the simulation results previously obtained. Moreover, the signal treatment has been adapted for this new configuration. A study has been also led with several kinetic energies ( 50 to 10 keV) and with several electronic flux density ( 0.5 to 2 nA/cm2) for the irradiation step followed by a relaxation step ( the sample is kept under vacuum) in order to to follow the injection dynamic of the injected electrons in the sample bulk. The space charge cartography representation allow to easily follow the dynamic injection. This work enabled to reach the differents objectives concerning the realizatiion of the space charges measurements during an electronic irradiation. This characterization setup can be used with several dielectric material used in electrical engineering, irradiation conditions being controlled. In next futur, this electrode prototype could be coupled with a very thin piezoelectric sensor to improve the spatial resolution to lead to a high temporal and spatial measurements system.

Dans le contexte de l'amélioration de la compacité des alimentations d'électronique de puissance, l'intégration des composants passifs constitue l'un des principaux leviers pour atteindre des niveaux de miniaturisation conséquents. Dans ce cadre, différents travaux ont déjà été engagés de part le monde. Les travaux présentés dans ce mémoire concernent la réduction des volumes des composants passifs, inductance - transformateur – condensateur, indispensables à toute structure d'électronique de puissance, en mariant ces trois éléments en un seul et unique appelé composant « LCT ». L'adaptabilité de cette association dépend en grande partie des performances des diélectriques utilisables dans cette réalisation permettant l'intégration de capacités élevées pour ainsi insérer ce dispositif LCT dans tout type de structure. Actuellement, le développement des matériaux ne permettant pas d'envisager toutes les applications classiquement rencontrées en électronique de puissance, nous avons étudié une nouvelle structure de convertisseur à transfert d'énergie mixte (MET) adaptée au LCT pouvant offrir un intérêt industriel dans un futur proche compte tenu de sa similitude avec une alimentation à découpage classique Forward. Outre les matériaux diélectriques en cours d'évolution, l'expansion de ce concept passe par un travail de modélisation conséquent, ainsi que par des technologies de mise en œuvre performantes comme les circuits multicouches. A l'issu de ce travail, un prototype a été réalisé dont les performances sont présentées, comprenant un composant LCT au sein de cette structure MET.

La thèse est consacrée aux matériaux électro-actifs, qui sont développés et conçus pour faire de la conversion entre énergie électrique et énergie mécanique. Avec les nouvelles technologies émergentes de transduction électromécanique, les polymères électro-actifs (EAP) ont gagné une attention considérable. Ils présentent de grandes déformations quand ils sont soumis à un champ électrique. Cependant, ces matériaux présentent de faibles permittivités et exigent pour fonctionner l’application de forts champs électriques. Les recherches entreprises dans la thèse traitent de différentes méthodes ayant pour but d'augmenter la permittivité des polymères et par conséquent d’améliorer les propriétés électromécaniques sous des champs électriques modérés. Les différentes approches consistent à la mise au point de nouveaux matériaux, par la méthode de mélange de polymères ou en utilisant un nouveau type de polymère, et par l'incorporation de nano-charges spéciales dans la matrice polymère. Un mélange de polyuréthane (PU) et PEMG obtenu à partir d'un procédé en solution conduit à des valeurs plus basses de module de Young, mais aussi à de plus faibles permittivités diélectriques. Il est cependant mis en évidence une amélioration des propriétés électromécaniques, par exemple, à le gain à des champs électriques modérés est d’un facteur 2, avec seulement 9% en poids de PEMG. Deux types de Pebax sont testés comme matrice polymère. Des valeurs très élevées de permittivités sont obtenus plus particulièrement pour le Pebax1657 mais liés pour ce matériau à des valeurs élevées de conductivité. En dépit de ces permittivités élevées, seule une légère amélioration de la conversion électromécanique est observée par rapport au polyurethane. Nous nous sommes également intéressés aux nanocomposites de polyuréthane basés sur desnanoparticules d'argent recouvertes de polymère polyvinylpyrrolidone (PVP). Un fin revêtement de polymère sur les nanoparticules d'argent conduit à une meilleure dispersion des charges dans les films de polyuréthane, et des valeurs plus élevées de permittivité. Différentes quantités d'Ag-PVP sont testées jusqu'au seuil de percolation proche de 45% en poids de charges. À partir des mesures par interférométrie laser et du nouveau dispositif de caractérisation croisée, les propriétés électromécaniques optimales sont obtenues pour 20% en poids de Ag-PVP, avecun gain de 2 à 6 par rapport au polyuréthane pur. Afin d'expliquer la différence entre les résultats expérimentaux et attendus, et par conséquent pour parvenir à une meilleure compréhension du comportement électromécanique de ces différents matériaux, certaines hypothèses ont été discutées et testées. Nous avons montré notamment une baisse des permittivités diélectriques sous champs électriques pour les Pebax et les nanocomposites, des problèmes d'absorption d'eau pour les Pebax et une diminution de cristallinité dans le cas des nanocomposites PU-Ag. / The thesis is devoted to electroactive materials, which are developed and designed to make conversion between the electricity and the mechanical form. With newer emerging electromechanical transduction technologies, electroactive polymers (EAP) have gained a considerable attention. The polymers are competitive in many applications such as actuators, sensors, robotic system and biological mimics since they are cheap, light, easy to process, and they present large electric field-induced strains. However, these materials suffer from the low permittivity and high voltage requirement to drive the actuations. The research undertaken for the thesis intends then to provide different methods in order to enhance the polymer permittivity and consequently the electromechanical activities at moderate electric fields. The different approaches consist on the development of new materials by polymer blend method or by using new kind of polymer, and on the incorporation of special nano-fillers in the polymer matrix. A blend of polyurethane (PU) and poly [ethylene-co-(methyl acrylate)-co-(glycidyl methacrylate) (PEMG) obtained from a simple solution method leads to lower values of Young modulus but also lower dielectric permittivities. The PU-PEMG blend presents however an improvement of the electromechanical capabilities, for example it is obtained a two fold increase of the strain at moderate fields with only 9%wt of PEMG.Two types of Polyetherblockamide (Pebax) are tested as polymer matrix. Very high values of permittivities are obtained particulary for Pebax1657 but accompanied for this material by high values of conductivity. Despite these high permittivities (more than 200000 for Pebax 1657 and 500 for Pebax 2533 at 0.1 Hz), only a moderate improvement of the electromechanical capability is observed compared to PU. We are also intererested on polyurethane nanocomposites based on silver nanoparticles coverered by PolyVinylPyrrolidone (PVP) polymer. A little polymer coating of the nanosilver leads to a better dispersion into the polyurethane films and higher values of permittivity. Different amounts of Ag-PVP are tested up to the percolation threshold close to 45%wt of fillers. Based on laser interferometer measurements and new cross characterization device, the optimal electromechanical properties are obtained for 20 %wt of Ag-PVP and a gain of 2 to 6 is obtained compared to pure polyurethane. In order to explain the difference between experimental and expected results and consequently to achieve a better understanding of the electromechanical behaviour of these different materials, some hypotheses were discussed and tested. We have shown particularly a drop of dielectric permittivities under electric fields for Pebax and nanocomposites, some problems of water absorption for Pebax and a decrease of crystallinity for the PU-Ag nanocomposites.