Les isolants

Daniel Treheux, Gressus Claude Le, Guy Blaise, Christiane Bonnelle

Description

Les problèmes technologiques associés à la fabrication et à l'utilisation des matériaux isolants demeurent nombreux et sont souvent récurrents dans beaucoup de secteurs industriels. Cette situation reflète les insuffisances des théories de l'endommagement des isolants.
Cet ouvrage sur Les isolants propose un nouveau modèle d'endommagement des isolants permettant d'en prévoir le comportement et décrit une méthode de mesures des grandeurs préconisées par ce modèle. Les phénomènes de claquage, de fracture et d'usure sont ensuite expliqués à travers ce modèle. Des applications à des problèmes technologiques variés sont présentées et plusieurs stratégies d'amélioration des matériaux y sont proposées.
Les auteurs précisent les caractérisations à effectuer dans un microscope électronique à balayage pour évaluer la qualité des isolants. L'exposé de cette méthode comporte plusieurs développements originaux essentiels à la maîtrise technologique de ce type de matériaux.

Les isolants constitue mémento original destiné à servir de guide pratique à des ingénieurs et à des chefs de projet concernés par la maîtrise technologique des isolants. Il contribuera aussi à la formation d'étudiants et à la sensibilisation de chercheurs à des nouvelles approches fondamentales des isolants.

Informations

• Publié par: Tec & Doc - Editions Lavoisier
• Date de parution: 28 octobre 2010
• Nombre de lectures: 18
• EAN13: 9782743017927
• Licence : Tous droits réservés
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 28 Mo

Extrait

Les isolants

Physique de la localisation des porteurs de charge

Applications aux phénomènes d’endommagement

Les

isolant

s

Physique de la localisation des porteurs de charge

Applications aux phénomènes d’endommagement

Christiane Bonnelle Guy Blaise Claude Le Gressus Daniel Tréheux

11, rue Lavoisier 75008 Paris

Chez le même éditeur

Endommagement et rupture des matériaux, volumes 1 et 2 M. Clavel, P. Bompard (sous la dir.), 2009

Physique des matériaux pour l’électronique A. Moliton, 2007

Les diélectriques. Propriétés diélectriques des matériaux isolants R. Coelho, B. Aladenize, 1993

DANGER LE

PHOTOCOPILLAGE

TUE LE LIVRE

© LAVOISIER, 2010 ISBN : 978-2-7430-1229-8

Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l'éditeur ou du Centre français d’exploitation du droit de copie (20, rue des-Grands-Augustins - 75006 Paris), est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et, d’autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre er dans laquelle elles sont incorporées (Loi du 1 -juillet 1992 - art. L 122-4 et L 122-5 et Code pénal art. 425).

Préface

Si l’on s’en tient aux noms de deux des grandes époques de l’histoire humaine, l’âge du bronze et l’âge de fer, on est tenté d’y voir le signe que les métaux et leurs alliages ont joué un rôle dominant lors de cette histoire. Il est vrai que ces subs- tances — de par leur abondance dans l’écorce terrestre, leur point de fusion relati- vement bas et donc leur coulabilité, leur résistance aux chocs et leur malléabilité — ont tenu une place majeure dans le développement des civilisations, qu’il s’agisse de fabrication des outils et des armes, de joaillerie, de sculpture… ; et qu’elles continuent, plus que jamais, à la tenir. Mais il est tout aussi vrai que les roches (ainsi du silex et des argiles), les végétaux (bois et pailles), les terres cuites ou les mortiers… c’est-à-dire les non-métaux, les ont bien souvent précédés dans l’établis- sement des civilisations antiques, sans que l’on puisse décerner là quelque laurier de prééminence que ce soit. Au moins a-t-on dû s’apercevoir très précocement que les premiers conduisaient bien la chaleur, les seconds, non ; tandis que, bien plus tardivement, on a pu constater que cette conduction valait aussi pour l’électricité ; et que l’on s’est mis, de ce fait, à parler deconducteurset d’isolants. Il est étrange de constater combien est récente, en regard de cette ancienneté des utilisations, l’étude scientifique de ces substances que sont lessolides. Le temps n’est pas si lointain (milieu du siècle passé) où leur description se ramenait à la double vision (quelque peu contradictoire) de la théorie des milieux continus d’une part, et de la cristallographie d’autre part : Hooke et Haüy, le continuum et le discret. D’un côté les mots-clés de l’enseignement étaient l’élasticité, les contraintes, les déformations, la rupture… ; de l’autre il s’agissait d’atomes et d’ions, plus ou moins bien organisés dans l’espace, à propos de qui l’on parlait d’hé- miédries, de groupes d’espace, de diffraction et de défauts cristallins — ponctuels et linéaires — tels qu’exigés par la thermodynamique. Quasi-absents étaient les liens entre ces deux approches, à une exception notable près : la compréhension, sur des bases classiques d’attraction coulombienne, des forces cohésives dans les cristaux ioniques isolants (Madelung), les nécessaires © Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit

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répulsions demeurant mystérieuses jusqu’à l’entrée en scène de la mécanique quan- tique. De celle-ci allait alors naître une théorie cohérente des solides, expliquant notamment les gigantesques différences de conduction électrique observées entre les conducteurs et certains isolants. Et bientôt allaient être réconciliées la physique des défauts — qui s’ouvre sur les phénomènes de diffusion atomique et de déforma- tion —, celle des microstructures et des textures, celle de la cohésion des cristaux, et celle de la conduction, effaçant une bonne partie de la contradiction précédente. Ce fut là l’œuvre de physiciens tels que Frederick Seitz, Neville Mott, Jacques Friedel, André Blandin, et d’autres, qui surent intégrer en une description cohé- rente, la constitution atomique ou ionique des solides et leur structure électronique.

Parmi bien d’autres, une évidence apparut bientôt : l’existence de défauts cris- tallins devait s’accompagner d’une augmentation de l’énergie interne, fortement dépendante de l’état de charge de ces défauts. L’effet n’est pas mince puisque ce fut lui qui entraîna — par accumulation de défauts ponctuels d’irradiation dans les matériaux de structure — l’incendie catastrophique du réacteur nucléaire n° 2 de Windscale, en octobre 1957, sur la côte du Cumberland. Plus généralement, il devint évident que les défauts cristallins étaient à l’origine de nombre des propriétés les plus importantes des solides, qu’elles soient bénéfiques (la plasticité, la soudabi- lité…) ou maléfiques (l’effet Wigner à l’instant évoqué, le gonflement des gaines de réacteurs nucléaires…). Mais — mis à part lescentres colorés, connus depuis l’observation des « halos pléochroïques » dans les micas (Rosenbusch, 1873) — c’est surtout dans les métaux que les défauts furent le mieux décrits, en particulier grâce à la facilité d’emploi, dans leur cas, de la microscopie électronique par trans- mission. C’est pourquoi le présent livre, consacré aux isolants, est particulièrement bienvenu.

Dans une progression en trois parties, il débute par une présentation générale et particulièrement pédagogique des données théoriques relatives à la structure des isolants, à leurs propriétés de conduction et de polarisation, au piégeage et au dépiégeage des charges. Puis il décrit en détail les principaux moyens de caracté- risation expérimentale qui ont permis, ces dernières décennies, de très significa- tives avancées : mesures de permittivité, de ruptures diélectriques, de conduction, de microcalorimétrie, d’effet Kerr et, singulièrement, de microscopie à balayage. Enfin il regroupe tout un ensemble de situations pratiques où apparaissent concrè- tement les problèmes technologiques posés par l’utilisation des isolants : vieillis- sement par l’action de contraintes mécaniques ou électriques, ou par celle des radiations ionisantes ; claquages, frottement, usure, ruptures… De très nombreux exemples concrets, des illustrations claires, une approche parfois semi-empirique, des modèles simples mais pertinents, une précieuse description des protocoles expérimentaux mis en œuvre, la présentation d’un grand nombre de cas concrets — céramiques, polymères, verres, oxydes, porcelaines, matière biologique… — ainsi qu’une bibliographie abondante, rendent la lecture à la fois vivante et informative.

Il convient de remercier Christiane Bonnelle, Guy Blaise, Claude Le Gressus et Daniel Tréheux d’avoir uni leurs efforts pour nous offrir ici une synthèse qu’appré- cieront aussi bien les étudiants — universités et grandes écoles confondues — les chercheurs, les ingénieurs et les praticiens. Alors que, actuellement, nombre de nos activités de recherche industrielle en matériaux s’étiolent ou disparaissent — par mesures irréfléchies d’économie, par mondialisation… — il est important qu’un

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Préface

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ouvrage de cette nature nous rappelle avec vigueur que l’utilisation desdits maté- riaux, et singulièrement celle des isolants, ne saurait se ramener à un choix sur catalogues ou étagères, mais qu’elle repose sur une science en continuelle progres- sion ; et que ne pas participer, dans nos laboratoires, à cette progression condam- nerait rapidement notre pays à ne devenir, face à des étagères de plus en plus abon- damment garnies par d’autres, qu’un client ou qu’un sous-traitant.

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Yves Quéré