Etude de la conduction thermique dans des matériaux composites ségrégés à matrice polymère // Investigation of thermal conductivity in segregated polymer matrix composites

La conduction thermique des matériaux polymères et composites est une problématique importante de l'industrie du transport et plus particulièrement de l'aéronautique. Le sujet de thèse suivant, réalisé au CIRIMAT en collaboration avec l'IRT Saint Exupéry, propose d'optimiser la fraction volumique de charges conductrices thermiques par une approche matériau basée sur sa structuration à l'échelle mésoscopique : elle permet d'envisager une application du concept pour différentes architectures de matrice polymère (thermoplastique ou thermodurcissable) mais aussi de minimiser la fraction volumique de charges conductrices à iso-conductivité thermique.

Le concept proposé pour cette thèse est basé sur l'utilisation originale d'un système ségrégé à 2 phases non miscibles. La première phase constituée de la matrice hôte majoritaire, va garantir la propriété structurale du matériau et sera réalisée avec un polymère rendu conducteur par des charges hautement conductrices du point de vue thermique et assurera la continuité du réseau conducteur macroscopique tridimensionnel. La deuxième phase sera obtenue avec des nodules en polymère non miscibles qui confineront et architectureront la phase conductrice dans la matrice hôte. Ce concept permet d'obtenir une connectivité directe des particules conductrices dans la matrice hôte pour un taux volumique global relativement faible pour ce type de connectivité. De précédents travaux abordant ce concept pour de la conductivité électrique ont permis d'obtenir un niveau de conductivité électrique élevé pour un taux de charge conductrices largement diminué.

L'étude se focalisera sur une matrice thermodurcissable non chargé et de faible viscosité pour valider le concept en simplifiant au maximum les problématiques de mise en œuvre. Une attention particulière sera donnée à la géométrie, la granulométrie et la nature des nodules polymères dans la conception du réseau conducteur. Et enfin, l'étude reposera sur l'étude de la nature et de la géométrie des particules conductrices incorporées. Ces paramètres sont essentiels dans la constitution du réseau ségrégé conducteur afin de limiter le nombre de contacts entre particules pour obtenir le réseau présentant une connectivité optimisée.

La première activité du Doctorant consistera à établir l'état de l'art sur les mécanismes de conduction thermique dans les composites ainsi que l'optimisation de la conductivité thermique des polymères, le rôle des charges conductrices ainsi que les stratégies de formulation et de structuration. Dans un second temps, le doctorant se familiarisera avec les méthodes de caractérisation thermique (diffusivité, conductivité, capacité calorifique etc…) et physico-chimique des matériaux (microscopie, analyse mécanique, calorimétrique etc…) nécessaires à l'évaluation des performances des systèmes développés. Enfin le doctorant mènera les travaux de mise en œuvre des composites en optimisant le procédé d'élaboration pour valider le concept à travers la fabrication de prototypes et l'analyse de leur performance thermique.
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Thermal conduction of polymeric and composite materials is a major issue in the transport industry, particularly in aeronautics. The following PhD project, carried out at CIRIMAT in collaboration with IRT Saint Exupéry, proposes to optimize the volume fraction of thermally conductive fillers using a material approach based on mesoscopic-scale structuring: it enables the concept to be applied to different polymer matrix architectures (thermoplastic or thermoset), and also to minimize the volume fraction of thermally iso-conductive conductive fillers.

The concept proposed in this thesis is based on the original use of a segregated system with 2 immiscible phases. The first phase, consisting of the majority host matrix, will guarantee the material's structural properties and will be made with a polymer rendered conductive by highly thermally conductive fillers, ensuring the continuity of the three-dimensional macroscopic conductive network. The second phase will be obtained with immiscible polymer nodules that will confine and architect the conductive phase in the host matrix. This concept enables direct connectivity of the conductive particles in the host matrix at a relatively low overall volume ratio for this type of connectivity. Previous work using this concept for electrical conductivity has achieved a high level of electrical conductivity at a greatly reduced rate of conductive charge.

The study will focus on an unfilled, low-viscosity thermoset matrix to validate the concept, while simplifying implementation issues as much as possible. Particular attention will be paid to the geometry, granulometry and nature of the polymer nodules in the design of the conductive network. Finally, the study will focus on the nature and geometry of the conductive particles incorporated. These parameters are essential in the constitution of the conductive segregated network, in order to limit the number of contacts between particles and obtain a network with optimized connectivity.

The PhD student's first activity will be to establish the state of the art on thermal conductivity mechanisms in composites, as well as the optimization of polymer thermal conductivity, the role of conductive fillers, and formulation and structuring strategies. Secondly, the PhD student will familiarize himself/herself with the thermal (diffusivity, conductivity, heat capacity, etc.) and physico-chemical material characterization methods (microscopy, mechanical analysis, calorimetry, etc.) required to assess the performance of the systems developed. Finally, the PhD student will carry out work on the implementation of composites, optimizing the elaboration process to validate the concept through the manufacture of prototypes and the analysis of their thermal performance.
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Début de la thèse : 01/09/2025

Financement d'une fondation pour la recherche française

Université de Toulouse

482 SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse

Titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou d'un Master 2 dans le domaine de la science des matériaux, physico chimie des matériaux, génie physique. - Connaissances en physico-chimie, caractérisation et mise en œuvre/formulation des polymères. - Rigueur/esprit d'analyse. - Bonne organisation/prise d'initiative - Sens du relationnel/bonnes capacités de communication - Anglais intermédiaire.
Engineering degree or Master 2 in materials science, physical chemistry of materials, engineering physics. - Knowledge of physical chemistry, processing and polymer characterization. - Rigor/analytical mind. - Good organizational skills and initiative - Good interpersonal/communication skills. - Intermediate level of English.