Effet du champ électrique et du temps d’application

Après l’électrophorèse et la polymérisation, nous avons démoulé les échantillons des cellules de tests pour caractériser par microscopie électronique à balayage la structuration dans le volume des composites à gradient de permittivité. Les échantillons ont été clivés dans la plan transverse à la couche accumulée, puis polis et positionnés sur un porte-échantillon pour observer la tranche des composites hétérogènes. Sous champ DC, nous observons la formation d’une couche de particules du côté de l’électrode portée à la haute tension (polarité positive) dans un espace inter-électrodes de 1 mm. On remarque sur les images MEB, pour un temps d’application du champ isochrones de 15 min (Figure III.1), que plus le champ électrique appliqué est important (de 125 à 500 V/mm), plus l’épaisseur de la couche en SrTiO3 est grande, variant de 47 à 112 μm. La couche de particules est constituée d’une forte

concentration en SrTiO3 dans la matrice époxy. On observe que les dépôts sont homogènes

(uniforme) et recouvrent toute la surface portée à la haute tension. La variation de l’épaisseur en fonction du champ est indiquée dans la suite par des barres d’erreur sur la Figure III.5.

Figure III.1 - Effet de la valeur du champ électrique appliqué sur l’épaisseur de la couche de particules de SrTiO3 (Φ=850

nm) du côté de l’électrode haute tension (polarité positive) après 15 min d’application : (a) 125 V/mm, (b) 250 V/mm, (c) 375 V/mm et (d) 500 V/mm. Epoxy n°2 et taux de chargement initial de 10 vol.%

Sur les images MEB à isochamp électrique à 125 V/mm (Figure III.2), au fur et à mesure que le temps d’application de la tension augmente (entre 5 min et 1h), l’épaisseur de la couche de particules croît fortement (de 22 à 159 μm). Les dépôts de particules sont homogènes de 5 min à 15 min. Mais nous remarquons la présence d’une fissuration longitudinale aux temps les plus longs notamment après 1h d’électrophorèse. Une telle dégradation mécanique pourrait provenir d’une importante différence de coefficients d’expansion thermique entre les zones fortement et faiblement chargées en particules ayant contraint ces composites durant la réticulation. Les épaisseurs ont été estimées dans la zone concentrée jusqu’à la fissure.

78 μm (b) 250 V/mm (a) 125 V/mm (d) 500 V/mm (c) 375 V/mm 47 μm 112 μm 84 μm

Figure III.2 - Effet du temps d’application du champ électrique sur l’épaisseur de la couche de particules de SrTiO3 (Φ=850

nm) du côté de l’électrode haute tension (polarité positive) pour un champ de 125 V/mm : (a) 5 min, (b) 15 min, (c) 30 min et (d) 1 h. Epoxy n°2 et taux de chargement initial de 10 vol.%

Un second inconvénient d’une longue application du champ durant le procédé d’élaboration apparaît au niveau d’une non uniformité de l’épaisseur des dépôts, d’autant plus importante que le champ électrique appliqué est grand (Figure III.3). Il est possible de remarquer l’apparition de zones préférentielles d’accumulation de particules de SrTiO3 sous

forme de pointes. De telles zones, dès qu’elles apparaissent, deviennent alors le siège de zones d’intensification localisée du champ électrique conduisant à une accumulation en particules exacerbée.

Par ailleurs, les particules commencent également à sédimenter dans les cellules de test aux temps longs d’application du champ tels que 1h (Figure III.4). Cela est certainement du à l’importante différence de masse volumique entre la résine époxy (1,23 g/cm3_{) et les}

particules de SrTiO3 (5,11 g/cm3). Nous pouvons observer que l’épaisseur de dépôt n’est plus

parallèle à l’électrode haute tension et qu’elle évolue du haut vers le bas de l’échantillon en augmentant. (d) 1 h (c) 30 min (b) 15 min (a) 5 min 22 μm 47 μm 159 μm 80 μm

Figure III.3 - Exemples de défauts dans les couches de particules de SrTiO3 (Φ=850 nm), après 1 h d’application du champ :

(a) 125 V/mm, (b) 250 V/mm, (c) 375 V/mm et (d) 500 V/mm. Epoxy n°2 et taux de chargement initial de 10 vol.%

(a) (b)

Figure III.4 - Exemples de sédimentation des particules de SrTiO3 (Φ=850 nm) après (a) 1 h à 125 V/mm, (b) 1 h à 500

V/mm. Epoxy n°2 et taux de chargement initial de 10 vol.%

La Figure III.5 résume les différentes valeurs des épaisseurs des couches de particules de SrTiO3 pour les différents champs électriques appliqués et pour les différentes durées.

L’épaisseur de la couche de particules croît avec l’augmentation du champ électrique et de sa durée d’application en présentant un profil exponentiel.

(b) 250 V/mm (a) 125 V/mm

(d) 500 V/mm (c) 375 V/mm

0 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 300 Epais seur (  m) Temps (min) 125 V/mm 250 V/mm 375 V/mm 500 V/mm

mPa.s - 10 %.vol SrTiO₃ (850 nm)

Figure III.5 - Evolution de l’épaisseur des couches de particules de SrTiO3 (Φ=850 nm) en fonction de la durée et de

l’amplitude du champ électrique

Zhang et al. [Zhang 2000] ont montré le dépôt de quelques microns de particules de BaTiO3 par électrodéposition. Ils ont montré que l’évolution de la masse déposée de BaTiO3

en fonction du temps (entre 0,5 min et 4,5 min) décrit une fonction exponentielle qui dépend du temps, comme dans le modèle de dépôt électrophorétique (équation III.1) proposé par Zhang et al. [Zhang 1994].

𝑑𝑤

𝑑𝑡 = 𝑤0𝑘𝑒

−𝑘𝑡 (III.1)

Avec w la masse déposée sur l’électrode, t le temps de dépôt et k une constante de vitesse. Aux temps courts, l’épaisseur déposée augmente linéairement. Après plus la durée de dépôt augmente, plus l’augmentation de l’épaisseur devient lente atteignant une saturation asymptotique. Dans notre cas, nous remarquons que l’évolution de la croissance des couches de SrTiO3 varie de la même manière en fonction du temps.

La reproductibilité des épaisseurs d’accumulation de particules de SrTiO3 a été

expérimentales et la forme de la couche pour une durée inférieure ou égale à 15 min reste bien homogène sur tout le long de l’électrode haute tension.

En conclusion, l’épaisseur de la couche de particules est contrôlable entre quelques micromètres et 200 μm en jouant soit sur le niveau du champ électrique appliqué soit sur son temps d’application pour une concentration initiale de particules donnée. Cependant, pour des champs électriques ou des temps d’application trop importants, des inhomogénéités d’épaisseur de la couche déposée apparaissent.