Mécanismes de rupture électromécanique dans les matériaux diélectriques fragiles : intensification du champ électrique local induite par des défauts et propagation des fissures

Les diélectriques solides sont essentiels pour les applications électriques à haute tension, notamment la conversion d'énergie, les systèmes à haut rendement et l'électrification embarquée dans les secteurs de l'automobile, de l'aéronautique et des énergies renouvelables. Bien que les mécanismes de rupture électronique et thermique soient bien documentés, la rupture électromécanique dans les matériaux fragiles, en particulier sous l'effet de contraintes mécaniques et électriques combinées, reste insuffisamment étudiée. Les modèles actuels recourent souvent à des approches réduites et ne disposent pas d'un cadre unifié intégrant les caractéristiques microstructurales, l'analyse multi-échelle et le couplage électromécanique complet. Sur le plan conceptuel, il existe une forte analogie avec la mécanique de la rupture, dans laquelle le critère de Griffith et les défauts préexistants permettent la propagation de fissures induite par un champ de contraintes. Ce projet de thèse vise à établir le lien fondamental entre les propriétés électriques et mécaniques et la rupture diélectrique à l'aide d'une approche électromécanique. L'hypothèse centrale est que les défauts microstructuraux agissent comme des concentrateurs de contraintes mécaniques et de champ électrique qui initient et propagent les voies de claquage. Le projet permettra : (i) d'acquérir une compréhension globale des mécanismes de claquage électromécanique dans les céramiques et les polymères fragiles, (ii) d'établir des relations quantitatives entre les paramètres de la mécanique de la rupture (par exemple, le facteur d'intensité de contrainte et le taux de libération d'énergie), l'intensification du champ électrique et la rigidité diélectrique, (iii) concevra et mènera des expériences électromécaniques couplées à l'aide d'un banc d'essai unique au LAPLACE (Université de Toulouse), qui permet une application simultanée et entièrement configurable des contraintes, et (iv) analysera ces mécanismes par modélisation numérique. Cette approche multi-échelle et multiphysique combine la caractérisation expérimentale (AFM, SEM, spectroscopie infrarouge/Raman et essais mécaniques/diélectriques) et la modélisation (modèles analytiques et simulations par la méthode des éléments finis/du champ de phase). Les résultats attendus sont des modèles améliorés qui pallient les limites actuelles, ainsi que des recommandations de conception fondées sur des données scientifiques pour les diélectriques haute performance. Ces résultats permettront de faire progresser la mise au point de systèmes d'isolation haute tension fiables destinés aux secteurs de l'énergie, de l'automobile et de l'aéronautique. École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Direction : Zarel VALDEZ-NAVA Financement : MSCA COFUND BEST