Ce travail de thèse concerne l’étude de dispersions de nanotubes de carbone (NTC) dans une matrice polymère afin d’obtenir des matériaux nanocomposites avec des propriétés améliorées. Dans la première partie, nous nous sommes intéressés à l’enrobage des NTC par des copolymères à blocs amphiphiles afin de faciliter la dispersion en solution aqueuse. L’influence de la structure chimique, de la composition et de la masse molaire des copolymères sur les propriétés a été étudiée. Dans une deuxième partie, l’incorporation des NTC dans une matrice polymère a été développée. Des procédés par voie aqueuse et par voie fondue ont été choisis afin de contrôler la répartition des NTC dans une matrice modèle de polyoxyde d’éthylène ainsi que dans des de polyéthylène ou de polyméthacrylate de méthyle. L’étude des propriétés physiques, notamment rhéologiques et électriques des nanocomposites à renfort de nanotubes a été réalisée. Ainsi les relations entre l’état des dispersions, la nature de l’enrobage et le mode d’élaboration des composites ont été établies. / This work is concerned with the study of carbon nanotubes (CNT) dispersions in a polymer matrix in order to obtain nanocomposite with unique properties. In the first part, we investigated the CNT wrapping by amphiphilic block copolymers to facilitate their suspension in aqueous solution. Based on the results, we could assess the effect on CNT dispersion quality of the molar mass of copolymers, the nature of the hydrophobic block and the length of hydrophilic block. In the second part, the incorporation of CNTs in polymer matrix was developed. Water or melt processing were chosen to control the distribution of CNTs in various polymer matrices (Polyethylene oxide, polyethylene and polymethyl methacrylate) through a prior wrapping of CNT. The studies of physical properties, including rheological and electrical properties, of nanocomposites were undertaken. Relationships between the state of dispersion, the nature of the coating and the method of preparation of composites were established.

Dans cette étude nous utilisons une méthode expérimentale novatrice, la mesure du bruit en 1/f, pour approfondir la compréhension des mécanismes de transport dans les compo-sites polymères conducteurs : polyaniline (PANI) - polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Une description précise du dispositif utilisé pour ces mesures est présentée. L'influence de la forme de l'échantillon, de la position des contacts électriques et de la méthode de mesure (2 ou 4 contacts) sur le niveau de bruit enregistré est discutée. Puis nous montrons que les composites PANI-PMMA présentent un bruit en 1/f dont l'amplitude S_R, en fonction de la concentration et de la résistance R, suit les lois d'échelle de la percolation avec des exposants critiques kappa=2.19 et w=1.15. L'influence des défauts est testée par l'introduction intentionnelle de coupure dans le réseau conducteur de PANI. La plus forte sensibilité de S_R, comparée à R, est mise en évidence expérimentalement et par simulation numérique.

Les électrodes transparentes (ET) sont présentes dans de nombreux dispositifs optoélectroniques. Par exemple, on peut les trouver au sein de cellules solaires, d'écrans tactiles, d'OLEDs ou encore de films chauffants transparents. Les propriétés physiques de ces électrodes influencent l'efficacité de ces dispositifs. Les ET sont fabriquées à partir de matériaux transparents conducteurs (TCM) dont le développement a débuté dans les années 1950 notamment avec les oxydes métalliques. Parmi ces oxydes transparents conducteurs (TCO), l'oxyde d'étain-indium (ITO) est celui le plus communément utilisé dans les cellules solaires et les écrans de télévision ou de smartphones. Cependant, de nouvelles exigences telles qu'une réduction des coûts, la flexibilité et la fabrication à faible température et/ou faible coût, ont orienté les recherches vers de nouveaux TCM, notamment à base de nanostructures. Parmi ces matériaux émergents, les réseaux de nanofils métalliques, en particulier de nanofils d'argent, présentent déjà des propriétés optiques et électriques approchant celles de l'ITO, c'est-à-dire une conductivité électrique et une transparence élevées. Ces deux propriétés sont cependant intrinsèquement liées à la densité de nanofils constituant le réseau, et lorsque la conductivité augmente, la transparence diminue. Des traitements post-dépôt existent et permettent d'augmenter la conductivité électrique des ET sans changer la densité du réseau. Plusieurs de ces méthodes d'optimisation ont été étudiées pendant ce travail de thèse, en particulier le recuit thermique, analysé minutieusement afin de comprendre les différents mécanismes de réduction de la conductivité électrique induits par la température. L'examen des effets thermiques a soulevé la question de l'instabilité des nanofils en température, qui est aussi abordée et discutée dans ce document. Le paramètre clé de la densité de nanofils optimale menant au meilleur compromis entre transparence et conductivité a été recherché pour des nanofils de différentes dimensions. La taille des nanofils a en effet un fort impact sur les propriétés du réseau. Ainsi, les propriétés électriques, dans le cadre de la théorie de la percolation, les propriétés optiques comme la transmittance et le facteur de haze, et même l'instabilité thermique ont été reliées aux dimensions des nanofils ainsi qu'à la densité du réseau en utilisant des modèles physiques simples. En ce qui concerne les applications de ces ET émergentes, des études ont été menées sur l'application des réseaux de nanofils d'argent comme film chauffant transparent, et les résultats sont rapportés à la fin de ce document. Les limitations soulevées par cette application, comme les limites de stabilités électrique et thermique ont aussi été abordées. Pour finir, des études préliminaires menées sur de nouvelles applications comme des antennes transparentes ou le blindage électromagnétique transparent utilisant les nanofils d'argent sont présentées. / Transparent electrodes (TE) are used in a variety of optoelectrical devices. Among them, solar cells, flat panel displays, touch screens, OLEDs and transparent heaters can be cited. The physical properties of the TE influence the efficiency of the device as a whole. Such electrodes are fabricated from transparent conducting materials (TCM) that have been undergoing development since the 1950s, initially from metallic oxides. Among these transparent conducting oxides (TCO), indium tin oxide (ITO) is the most commonly used in solar cells, and television or smartphone screens. However requirements such as cost reduction, flexibility and low cost/temperature fabrication techniques have oriented the researches toward emerging TCM, mostly using nanostructures. Among them, metallic nanowire networks, and in particular silver nanowires (AgNW), already present optical and electrical properties approaching those of ITO, i.e. a high electrical conductivity and a high transparency. These two properties are intrinsically linked to the network density, therefore a tradeoff has to be considered knowing that when conductivity increases, transparency decreases. Some post-deposition treatments do exist, allowing an increase of the TE electrical conductivity without changing the network density. Several of these optimization methods have been thoroughly studied during this thesis work, especially thermal annealing. This method have been investigated in details to understand the different thermally-induced mechanisms of conductivity improvement. In addition, the investigation of thermal effects raised the question of thermal instability of the nanowires, which is also addressed and discussed in this document. The key issue of density optimization, allowing the best tradeoff between transparency and conductivity, has been investigated for nanowires with different dimensions. Nanowire size has a strong impact on the network properties. Thus, electrical properties, within the framework of percolation theory, optical properties such as transmittance or haziness, and even thermal instability have been linked to the nanowires' dimensions and the network density by using simple physical models. Regarding the application of these emerging TE, studies were conducted on the application of AgNWs as transparent heaters, and the results are reported at the end of the document. Limitations arising from this application, like thermal and electrical stabilities, have also been addressed. To finish, preliminary studies conducted on new applications such as transparent antennas and transparent electromagnetic shielding using AgNW are presented.

Ce travail propose une optimisation de la conductivité électrique transverse des composites structuraux matrice/fibres de carbone. L'influence de la fonctionnalisation électrique de l'ensimage sur la conductivité des composites est particulièrement étudiée. Des feuillets submicroniques d'argent (AgNpts) ont été élaborés en présence de citrate de sodium (TSC). Leur morphologie plane est particulièrement adaptée à une dispersion dans un ensimage. Les feuillets ont été dispersés dans une matrice modèle. Le seuil de percolation électrique des feuillets est déterminé à 5,9 %. Cette valeur est cohérente avec un facteur de forme modéré, compris entre 12 et 28. L'ensimage fonctionnalisé a ensuite été déposé sur une mèche de fibres de carbone, elle-même imprégnée par une matrice PAEK hautes performances. Avant imprégnation des fibres de carbone, des fils submicroniques d'argent ont été introduits dans la matrice PAEK. Des composites matrice-fils submicroniques d'argent/fibres de carbone avec ensimage conducteur ont été mis en œuvre. Leur conductivité électrique est élevée (7 S.m-1), alors que la fraction volumique en particules d'argent (fils et feuillets) est inférieure à 1 % en volume. / This PhD thesis deals with the optimization of transverse electrical conductivity of Thermoplastic Carbon Fiber Reinforced Polymer. The influence of an electrically conductive sizing has been investigated. Silver nanoplates (AgNpts) have been successfully synthesized by a soft chemical reduction, with trisodiumcitrate (TSC) as surfactant. Silver nanoplates have been dispersed into a model matrix, percolation threshold has been determined near 5.9 % in volume fraction. This value is consistent with their moderate aspect ratio (between 12 and 28). Size and morphology of silver nanoplates are suitable for their dispersion in the sizing. Carbon fiber has been coated with conductive sizing. Carbon fiber will be further impregnated by a PAEK thermoplastic matrix. A higher conductivity level has been achieved by introducing silver nanowires in the PAEK matrix. Structural composites consisting of matrix-silver nanowires / continuous carbon fiber sized with conductive sizing have been elaborated. Their electrical conductivity reached 7 S.m-1 for a total silver volume fraction of 1 %.vol.