Pour des raisons autant écologiques qu'économiques ou techniques, des huiles de base d'esters naturels ont été utilisées pour remplacer de l'huile minérale dans les appareillages basse et moyenne tensions. Ce travail consiste en étude de caractérisation d'un mélange des esters naturels de faible viscosité (RS50) basant sur l'huile de colza pour les applications dans les transformateurs haute tension. L'influence des facteurs humidité, température, teneur en particules ainsi que vieillissement thermique sur ses propriétés diélectriques telles que : permittivité, conductivité, pertes et rigidité électrique sous tension alternative a été mise en évidence. La RS50 présente une solubilité de l'eau élevée, la conductivité, la permittivité et les pertes plus élevées que celles de l'huile minérale mais ces différences sont réduites dans des huiles vieillies. Sa rigidité électrique en tension alternative est similaire à l'huile minérale, même après le vieillissement. Pourtant, une analyse des phénomènes de préclaquage et de claquage dans des configurations particulières ont montré que les esters naturels sont moins favorables pour les applications à haute tension que l'huile minérale. Parallèlement, des études méthodologiques ont été effectuées. L'intérêt d'une application de la méthode de mesure spectroscopique fréquentielle à la caractérisation des isolants liquides est la mise en évidence et la validité des conditions de mesure de la rigidité électrique du liquide isolant, ce qui est traditionnellement imposé suivant les normes, a été discutée.

Les campagnes de recherche - comprenant la conception de nouveaux matériaux, la prospection, la réalisation de composites et leur caractérisation - sont longues. Pour l'ingénieur ou le chercheur, relier la microstructure et les propriétés physiques macroscopiques des matériaux le plus en amont, permet de réduire la durée et le coût de ces études. Nous nous intéressons aux propriétés diélectriques d'un composite particulier, formé d'une matrice époxy contenant des inclusions d'agrégats de noir de carbone. Nous détaillons le processus global, de la réalisation du composite à sa modélisation. Des échantillons de composite sont réalisés en faisant varier des paramètres de préparation. Des mesures diélectriques, électriques et d'autres mesures physiques situent le niveau des propriétés macroscopiques des échantillons. L'observation du composite par microscopie électronique à transmission à plusieurs grandissement permet d'appréhender sa morphologie. Les micrographies sont traitées par analyse d'images pour caractériser la géométrie du composite en quelques grandeurs. Les lois statistiques de changement d'échelle permettent, à partir de données sur la microstructure, d'obtenir un encadrement de la permittivité de composites. Les lois statistiques de changement d'échelle sont une méthode de modélisation récente, elles permettent en particulier :

Prévision du comportement électromagnétique de matériaux composites à partir de leur élaboration et de leur morphologie. Prévoir le comportement électromagnétique de matériaux composites à partir de leur morphologie peut être effectué en deux étapes: la description du matériau, sa caractérisation, sa modélisation dans le but de le similer d'une part et l'application d'un code de prévision de comportement d'autre part. Dans un premier temps, un nano-matériau composite résine/ noir de carbone, élaboré par EADS pour des applications aérospatialess, est observé par microscopie électronique en transmission, caractérisé par des mesures morphologiques, modélisé et simulé par des modèles de structures aléatoires. Un autre composite à base d'inclusions de silice ou zircone-silice noyées dans une matrice d'aluminium ou PMMA est présenté par un arsenal d'outils morphologiques. Outre la caractérisation, ces outils permettent de comprendre l'influence des modes d'élaboration sur la morphologie. Par ailleurs une méthode originale de simulation de structures hétérogènes et anisotropes à base de sphères dures est présentée. A partir des simulations réalisées un code de calcul reposant sur l'itération de fonctions de Green dans l'espace de Fourier a été développé. Ce code nous a permis de mettre en évidence une anomalie de comportement diélectrique concernant la résine. Cette anomalie a été vérifiée par des spectres de perte d'énergie d'électrons (EELS) et le résultat confirmé par analyse d'image en haute résolution.

Les recherches sur des attogrammes (1 attogramme = 10 -18 gramme) et zeptogrammes (1 zeptogramme = 10-21 gramme) de matière offrent la possibilité de mettre en évidence la transition entre la nanoscience et la physique des molécules, ouvrant la porte à des questions fondamentales en physique de la matière molle, comme par exemple ‘’Quelle est la quantité minimale de matière nécessaire pour ‘‘définir’’ les propriétés des matériaux ?’’. Les propriétés électriques et diélectriques des matériaux, à cette échelle, sont étudiées par la spectroscopie diélectrique. Cette technique offre une large gamme de fréquence, pour mesurer les propriétés diélectriques des matériaux, couvrant plus de 10 ordres de grandeur et allant de 10-3 à 10+7 Hz. Cette technique assure une caractérisation précise d’une grande diversité des phénomènes physiques qui se déroulent à des échelles de longueur et de temps différents, tels que: les transitions des phases, les fluctuations de densité, les fluctuations moléculaires, le transport des charges, etc. Les mesures à l’échelle des attogrammes et zeptogrammes nécessitent l’utilisation des cellules ayant des dimensions nanométriques. Basé sur le concept d’utiliser des nano-conteneurs comme des cellules expérimentales, un développement expérimental a été mis en évidence, dans cette thèse, permettant d’étudier la dynamique moléculaire et les transitions des phases des matériaux polymères, allant jusqu’au zeptogrammes de matière. Cette approche permet de cristalliser des très petites quantités des matériaux sous l’application d’un champ électrique élevé, dans le but d’induire une cohérence macroscopique des fonctions moléculaires. Cela peut donner lieu à des nouvelles propriétés des matériaux, qui n’existent pas dans le cas des matériaux en masse / Dielectric investigations on attograms (1 attogram = 10 -18 gram) and zeptograms of matter (1 zeptogram = 10 -21 gram) offer the possibility of exploring the transition between nanoscience and molecule physics, opening the door for fundamental questions in soft-matter physics, such as for instance “What is the minimum amount of matter necessary to “define” the material properties?”. The electric and dielectric properties of materials at this level are investigated by Broadband Dielectric Spectroscopy. This technique provides an extraordinary broad frequency range, for measuring dielectric properties of matter, covering more than 10 orders of magnitude, typically from 10-3 to 10+7Hz. It ensures a precise characterization of large diversity of physical phenomena taking place at different length and time scales such as: phase transitions, density fluctuations, molecular fluctuations, charge transport processes, etc. Measurements on the scale of attograms and zeptograms require sample cells having all three dimensions on the nanometric length-scale. Based on the concept of employing nanocontainers as experimental cells, a novel experimental development allowing investigations on molecular dynamics and phase transitions of polymeric materials down to the level of zeptograms is demonstrated in the present PhD study. This approach enables one to crystallize tiny amounts of matter under high electric fields with the goal of inducing a macroscopic coherence of molecular functionalities. This could give rise to new material properties, not naturally available in the case of bulk materials.