Élaboration de matériaux composites Cuivre/Graphene à propriétés physiques améliorées élaborés par Métallurgie des Poudres

Abstract

Les problématiques énergétiques sont dans toutes les conversations depuis de nombreuses années tant du point de vue de la consommation, en croissance permanente, que de son coût de plus en plus excessif, particulièrement en ce moment. Au regard des informations recueillies auprès de l’IEA, la consommation électrique mondiale est en forte croissance avec une augmentation de 88% sur les vingt dernières années qui ne fera que s’accentuer. Avec l’objectif d’atteindre la neutralité carbone d’ici 2050, la consommation électrique mondiale ne fera que croître. En effet, le CME estime que la consommation d’énergie augmentera entre 27 et 61% suivant les deux scénarios envisagés, l’un favorisant la croissance économique et l’autre notre planète. Cependant, même si l’augmentation de notre production d’électricité est primordiale, elle ne constitue pas la seule option pour satisfaire nos besoins actuels et futurs. En effet, selon le gestionnaire RTE et la société ERDF, on estime que les pertes totales représentent pas moins de 10% de l’électricité produite. Dans ces pertes, on retrouve majoritairement les déperditions énergétiques thermiques aussi appelées : effet Joule. Ce problème, la société Schneider Electric spécialiste mondial de la gestion de l’énergie et des automatismes, la bien compris. En effet, certains organes de raccordement électrique 2D, notamment de type glissant, sont utilisés pour permettre une mise en sécurité rapide des installations, si nécessaire. Toutefois, ce type de raccordement est cinq fois plus résistif qu’un raccordement boulonné classique, ce qui a pour effet d’engendrer de forte élévation de température. Afin de diminuer cet échauffement (et les pertes), des simulations de profil thermique ont montré qu’une diminution de la résistivité électrique du matériau engendrerait une importante réduction de la température du connecteur. Ceci permettait une meilleure mise en sécurité des installations (prévention des risques d’incendies) et une réduction des pertes énergétiques. C’est dans ce but que ce travail de thèse propose l’élaboration de composite à matrice cuivre (plaquette ou dendritique) à renfort graphène. En effet, le graphène est un matériau 2D nanométrique connu pour ses propriétés singulières dans le domaine mécanique, thermique et aussi électrique. Toutefois l’élaboration de ce type de composite n’est pas triviale. La taille nanométrique du renfort ne permet pas l’utilisation de méthode de caractérisation conventionnelle et surtout ne permet pas une caractérisation directe de ses propriétés intrinsèques. Pour cela, plusieurs problématiques sont à résoudre. Tout d’abord, le carbone et le cuivre sont des matériaux non chimiquement réactifs. Par conséquent, la formation d’une interface pour l’obtention d’une liaison chimique forte, entre la matrice de Cu et le renfort graphite, est nécessaire. La croissance de nanoparticule de cuivre en surface du graphène sera la voie choisie. Le graphène étant un matériau anisotrope et nanométrique, un contrôle parfait de son orientation et de sa distribution dans la matrice est primordial. Enfin, une étude sur l’élaboration de graphène dopé azote utilisant les états supercritique et plasmatique de la matière seront utilisés afin d’accroitre ses propriétés.