Superhydrophobic silicone-based nanocomposites for application to high voltage insulator

Wettability is one of the fundamental characterizations of each solid surface which might affect the final surface properties in different manners. In the light of various Mother Nature’s masterpieces, specifically Lotus leaves, as a symbol of purity, the nature-inspired superhydrophobic surfaces have received immense attention. In the present thesis, two different approaches are opted to effectively create artificial self-cleaning/superhydrophobic surfaces to enhance the water-repellency of the engineered silicone rubber and Teflon materials. Firstly, the atmospheric-pressure plasma treatment was used to produce self-cleaning/superhydrophobic high-temperature vulcanized silicone rubber (HTV-SR) surfaces via etching technique. This approach is significant since the use of an atmospheric-pressure plasma system as a simple, fast and environmentally friendly technique is combined with compressed air as an eco-friendly plasma gas which offers great potential for the mass production of superhydrophobic surfaces in an industrial scale. Using plasma treatment, a substantial enhancement in the water-repellency of HTV-SR surfaces, i.e., static water contact angle (WCA) >160° and a contact angle hysteresis (CAH) <3°, was attained due to the formation of coral-like micro-nanostructures on the surface. Possessing the appropriate surface structures depends highly on the composition of plasma jet affected by plasma operating parameters. Thus, the role of significant plasma operating parameters on the surface water-repellency was assessed with the help of a design of experiment (DoE) method to determine the near-optimal operating parameters. The icephobic properties are divided into two categories of anti-icing and de-icing properties. Anti-icing properties correspond to the delay in the ice formation, while de-icing properties illustrate the reduction of the adhesion strength of the ice formed on the surface. The well-known ice adhesion measurement techniques, i.e., the centrifuge adhesion and push-off tests, were used to provide quantitative comparisons of the ice adhesion strength of the produced surfaces. The delayed ice formation and considerable low ice adhesion strength of the plasma-treated superhydrophobic HTV-SR surface confirmed their desirable icephobicity. However, the robustness of the superhydrophobic surfaces can be considered as the Achilles heel toward industrialization and real-life applications. To ensure long-lasting superhydrophobic properties, the mechanical durability and chemical stability of the produced superhydrophobic surface were rigorously evaluated. Although the produced surface preserved its water-repellent properties in multiple tests, under some harsh mechanical damages, the superhydrophobic properties were reduced. Secondly, regarding the poor mechanochemical robustness of superhydrophobic surfaces susceptible to damage, a non-fluorinated volumetric superhydrophobic nanocomposite was produced through embedding diatomaceous earth and fumed silica particles into the HTV-SR matrix. The volumetric superhydrophobic nanocomposite is a new concept in fabrication of damage-tolerant superhydrophobic surfaces where each face and every layer of the nanocomposites is superhydrophobic. Given the importance of the diatomaceous earth/fumed silica mass ratio in final surface structure and crosslinking density of the nanocomposite, an in-depth assessment of the water-repellency, crosslinking density, and hardness of the produced nanocomposites was accomplished as a function of various diatomaceous earth to fumed silica mass ratios. Regarding the surface robustness, multiple severe mechanical and chemical tests were conducted including sandpaper and knife scratching, tape peeling, water jet impact, and sandblasting after which the surface retained its initial water-repellency. Moreover, even if during mechanical and/or chemical damages, the superhydrophobicity of the nanocomposite was deteriorated, the water-repellency could be restored by removing the outermost layer. It was due to the presence of embedded low surface energy micro-nanostructures within the entire body of the nanocomposite. Thirdly, to scrutinize the potential application of plasma treatment approach to various polymers, a thermoplastic insulating material, i.e., polytetrafluoroethylene (PTFE) commercially known as Teflon, was selected to fabricate superhydrophobic surfaces. The produced superhydrophobic Teflon surfaces possessed ultra-water-repellency, icephobicity, and self-cleaning. Although the plasma treatment did not alter the chemical composition of the Teflon surface, the lotus leaf-like hierarchical micro-nanostructures created on the plasma-treated surface were responsible for its surface water-repellency. Both water droplet rolling off and impact test ascertained the significant role of the hierarchical micro-nanostructures on the surface water-repellency as well as the consistency of Cassie-Baxter regime. In addition to the self-cleaning properties, the micro-nanostructured Teflon surface substantially reduced the ice adhesion strength to a content that the produced surface could be categorized as a passive anti-icing surface. Moreover, the onset of freezing of a water droplet was reduced on the superhydrophobic surface due to the presence of air pockets trapped within its surface asperities. The approaches introduced in this thesis can be implemented in different industries as they are cost-effective, quickly adaptable, and environmentally friendly methods. La mouillabilité est l'une des caractéristiques fondamentales de chaque surface solide qui peut affecter de différentes manières les propriétés finales de surface. À la lumière de divers chefs-d'oeuvre de Mère Nature, particulièrement les feuilles de lotus, en tant que symbole de pureté, les surfaces superhydrophobes inspirées de la nature ont reçu une immense attention. Dans la présente thèse, deux approches distinctes sont choisies pour créer efficacement des surfaces autonettoyantes / superhydrophobes. Ces surfaces possèdent une excellente hydrofugation pour améliorer la durée de vie de différents matériaux d'ingénierie tels que le caoutchouc de silicone et le Teflon. Dans un premier temps, le traitement au plasma à pression atmosphérique a été utilisé pour produire des surfaces autonettoyantes / superhydrophobes de caoutchouc de silicone vulcanisé à haute température (HTV-SR) via une technique de gravure. Cette approche est importante car l'utilisation d'un système plasma à pression atmosphérique est une technique simple, rapide et respectueuse de l'environnement. Ainsi utilisé l'air comprimé en tant que gaz écologique à plasma, cette technique offre un grand potentiel pour la production des surfaces superhydrophobes à grande échelle. Grâce au traitement au plasma, une amélioration substantielle de l'hydrofugation des surfaces HTV-SR (c'est-à-dire un angle de contact statique avec l'eau (WCA)> 160° et une hystérésis d'angle de contact (CAH) <3°) a été obtenue en raison de la formation de surfaces micro-nanostructurées semblables au corail. L’obtention des structures de surface appropriées dépend fortement de la composition du jet de plasma affectée par ses propres paramètres de fonctionnement. C’est pourquoi le rôle des paramètres opératoires de plasma sur la répulsion de l'eau de surface a été évalué à l'aide d'un plan d’expérience (DoE) pour déterminer les paramètres quasi optimaux. Les propriétés glaciophobes sont divisées en deux catégories de propriétés d'antigivrage et de dégivrage. Les propriétés d'antigivrage correspondent au retard de la formation de glace, tandis que les propriétés de dégivrage se rapportent à la diminution de force d'adhérence de glace formée à la surface. Les techniques bien connues de mesure de l'adhérence de la glace, c'est-à-dire les tests d'adhérence par centrifugation et de poussée (push-off), ont fourni des comparaisons quantitatives de la force d'adhérence à la glace des surfaces produites. Le retard de la formation de glace et la force d'adhérence à la glace considérablement faible de la surface HTV-SR superhydrophobe traitée au plasma ont confirmé une amélioration de leur propriété glaciophobe. Cependant, la robustesse des surfaces superhydrophobes peut être considérée comme le talon d'Achille vers l'industrialisation et les applications dans la situation réelle. Pour garantir des propriétés superhydrophobes durables, la résistivité chimique ainsi que la durabilité mécanique de la surface superhydrophobe produite ont été rigoureusement évaluées. Bien que la surface produite ait conservé ses propriétés hydrofuges dans de nombreux tests, les surfaces ont perdu leurs propriétés superhydrophobes sous certains dommages mécaniques sévères. Dans un second temps, en égard à la mauvaise durabilité mécanique et chimique des surfaces superhydrophobes qui sont susceptibles d'être endommagées, un nanocomposite superhydrophobe volumétrique et non fluoré a été produit. Il s’est fait par intégration de la terre de diatomée et des particules de silice pyrogénée dans la matrice HTV-SR. Le nanocomposite superhydrophobe volumétrique est un nouveau concept dans la fabrication de surfaces superhydrophobes tolérantes aux dommages où toutes leurs faces et couches sont superhydrophobes. Le rapport massique entre les terres de diatomées et la silice pyrogénée dans la structure de surface finale et la densité de réticulation du nanocomposite est très important. Fort de cela, une évaluation approfondie de l'hydrofugation, de la densité de réticulation et de la dureté des nanocomposites produits a été indiquée en fonction de ce rapport massique. En ce qui concerne la robustesse de la surface, plusieurs tests mécaniques et chimiques sévères ont été effectués. Il s’agit entre autres, de l’utilisation du papier abrasif, le grattage au couteau, le décollement au ruban, l'impact au jet d'eau et le sablage. Ces résultats montrent que la surface a conservé sa propriété de non-mouillabilité. De plus, même si lors de dommages mécaniques et / ou chimiques, la superhydrophobicité du nanocomposite était détériorée, l'hydrofugation pourrait être restaurée en enlevant la couche la plus externe. Cela est dû à la présence de micro-nanostructures intégrées à faible énergie de surface dans tout le corps du nanocomposite. Enfin, pour examiner l'application potentielle de cette approche de traitement au plasma sur divers polymères, un matériau isolant thermoplastique, à savoir le polytétrafluoroéthylène (PTFE, Teflon), a été sélectionné pour fabriquer des surfaces superhydrophobes. Les surfaces en Téflon superhydrophobes produites possédaient des propriétés ultra-hydrofuges, glaciophobicités et auto-nettoyantes. Bien que le traitement au plasma n'ait pas modifié la composition chimique de surface du téflon, les micro-nanostructures hiérarchiques en forme de feuille de lotus créées sur la surface traitée au plasma étaient responsables de sa résistance à l'eau de surface. Le roulage des gouttelettes d'eau et le test d'impact ont permis de vérifier le rôle important des micro-nanostructures hiérarchiques sur l’hydrophobicité et la stabilité du régime de Cassie-Baxter. En plus de ses capacités autonettoyantes, la surface de Teflon développée a montré la réduction de la force d’adhésion de la glace de sorte qu’elle soit qualifiée de surface passive antigivrante. Un retard du temps congélation des gouttelettes d’eau sur les surfaces superhydrophobes a également été observé en raison de la présence de poches d’air piégées dans les aspérités de surfaces

Polymer Composites for Electrical and Electronic Engineering Application

Polymer composite materials have attracted great interest for the development of electrical and electronic engineering and technology, and have been widely applied in electrical power systems, electrical insulation equipment, electrical and electronic devices, etc. Due to the significant expansion in the use of newly developed polymer composite materials, it is necessary to understand and accurately describe the relationship between composite structure and material properties, as only based on thorough laboratory characterization is it possible to estimate the properties for their future commercial applications. This book focuses on polymer composites applied in the field of electrical and electronic equipment, including but not limited to synthesis and preparation of new polymeric materials, structure–properties relationship of polymer composites, evaluation of materials application, simulation and modelling of material performance

Outdoor Insulation and Gas Insulated Switchgears

This book focuses on theoretical and practical developments in the performance of high-voltage transmission line against atmospheric pollution and icing. Modifications using suitable fillers are also pinpointed to improve silicone rubber insulation materials. Very fast transient overvoltage (VFTO) mitigation techniques, along with some suggestions for reliable partial discharge measurements under DC voltage stresses inside gas-insulated switchgears, are addressed. The application of an inductor-based filter for the protective performance of surge arresters against indirect lightning strikes is also discussed

Surface modification of Polymers by plasma polymerization techniques for tissue engineering

El treball que es presenta en aquesta tesi pretén contribuir al camp de la ciència de superfícies biològiques, amb el desenvolupament de superfícies adaptades amb cadenes lateral reactives per tal de unir covalentment biomolècul·les d'interès a la superfície.La polimerització assistida per plasma del recobriments actius és un mètode atractiu per tal d'obtenir cadenes laterals reactives, mitjançant pel·lícules nanomètriques amb densitats de grups funcionals adaptats. Sota control de les condicions experimentals, l'estructura del dipòsit polimèric es pot control i les estructures químiques obtingudes poden variar des de xarxes polimèriques altament funcionalitzades amb baixa reticulació fins a xarxes altament reticulades amb baix contingut funcional. La recerca descrita en aquesta tesi tracta de la modificació de superfície de diversos substrats per polimerització de plasma. La part essencial del treball es dirigeix cap al funcionalització amb grups èster de pentafluorofenil a la superfície, durant la polimerització per grafting i polimerització de plasma pulsat de pentafluofenil metacrilat. Aquesta classe de grup làbil és de gran interès per a la seva fàcil reactivitat amb molècules amb mines terminals, com pèptids. Altres monòmers comercials també s'han emprat al començament de l'estudi, com a primera aproximació a les tècniques de plasma. La caracterització d'aquestes superfícies s'ha fet a través de tècniques analítiques com FTIR, XPS, AFM o ToF - SIMS entre d'altres.A més, s'ha dut a terme un estudi per fer a mida el polímer de PFM per a millorar la retenció de la seva estructura, i així com un estudi profund de la seva reactivitat davant de molècules amb amines terminals diferents d'interès, afegint SPR o l'aplicació de sensors microcantiliver a les tècniques de caracterització per aconseguir una millor comprensió de la química i cinètica de la reacció.Sobre el propòsit d'aconseguir superfícies funcionalitzades útils, s'ha realitzat un patterning de les superfícies amb l'ús de màscares per a capa selectiva de les mostres per controlar les àrees modificades. Això s'ha fet per a l'aplicació d'aquesta pel·lícula a dispositius reals, així com a prova de la seva biocompatibilitat per cultiu cel·lular i per assaigs in vivo.El trabajo que se presenta en esta tesis pretende contribuir al campo de la ciencia de superficies biológicas, con el desarrollo de superficies adaptadas con cadenas lateral reactivas con el fin de unir covalentemente biomoléculas de interés a la superficie.La polimerización asistida por plasma de recubrimientos activos es un método atractivo con el fin de obtener cadenas laterales reactivas, mediante películas nanométricas con densidades de grupos funcionales adaptados. Bajo control de las condiciones experimentales, la estructura del depósito polimérico se puede control y las estructuras químicas obtenidas pueden variar desde redes poliméricas altamente funcionalitzadas con baja reticulación hasta redes altamente reticuladas con bajo contenido funcional.La investigación descrita en esta tesis trata de la modificación de superficie de diversos sustratos por polimerización de plasma. La parte esencial del trabajo se dirige hacia el funcionalización con grupos éster de pentafluorofenilo en la superficie, durante la polimerización por grafting y polimerización de plasma pulsado de pentafluofenilmetacrilato. Esta clase de grupo lábil es de gran interés para su fácil reactividad con moléculas con minas terminales, como péptidos. Otros monómeros comerciales también se han servido al principio del estudio, como primera aproximación a las técnicas de plasma. La caracterización de estas superficies se ha hecho a través de técnicas analíticas como FTIR, XPS, AFM o ToF - SIMS entre otros. Además, se ha llevado a cabo un estudio para hacer a medida el polímero de PFM para mejorar la retención de su estructura, y así como un estudio profundo de su reactividad delante de moléculas con aminas terminales diferentes de interés, añadiendo SPR o la aplicación de sensores microcantiliver a las técnicas de caracterización para conseguir una mejor comprensión de la química y cinética de la reacción.Sobre el propósito de conseguir superficies funcionalizadas útiles, se ha realizado un patterning de las superficies con el uso de máscaras para capa selectiva de las muestras para controlar las áreas modificadas. Eso se ha hecho para la aplicación de esta película en dispositivos reales, así como a prueba de su biocompatibillidad por cultivo celular y para ensayos in vivo.The work presented in this thesis has the main aim to contribute in the field of biological surface science, by developing tailored surfaces with reactive side chains in order to attach desired biomolecules to the surface by a covalent link. Plasma polymerization of surface active coatings is an attractive method to obtain reactive side chains, by making nanometer thick films of tailored functional group densities. By controlling the experimental conditions, the structure of the polymer deposit can be largely controlled and the chemical structures obtained can range from highly functional polymer networks of low cross link density to polymer networks of low functional group but high cross link densities. The research described in this thesis deals with the surface modification of various substrates by plasma polymerization. The major part of the work is directed towards the funtionalization with pentafluorophenyl ester groups on the surface, through the grafting polymerization and pulsed plasma polymerization of pentafluophenyl methacrylate. This kind of labile group is of high interest for its easy reactivity to amino terminated molecules, such as peptides. Other commercial monomers were also used at the beginning of the study, as a first approach to the plasma techniques. The characterization of these surfaces is done through several analytical techniques as FTIR, XPS, AFM or ToF-SIMS among others. Furthermore, a study for tailoring the PFM polymer for better structure retention and deep study of its reactivity in front of different amino terminated molecules of interest was performed, adding SPR or the implementation of microcantilever sensors to the characterization techniques to achieve a better understanding of the chemistry and kinetic of the reaction, in order to achieve the best peptide binding for reliable well characterized bioactive interface..On the aim of achieving useful functionalized surfaces, a patterning of the surfaces with the use of masks for selective coating of the samples has been performed to control the modified areas. This has been done for application of this film to real devices, as well as to test of its biocompatibility by cell culture and in vivo assays

Fabrication of durable self-healing superhydrophobic coating to improve the performance of high voltage insulators during winter conditions

With the emerging advancements in different fields of new materials, polymers, and technologies which have been revolutionary in industries, the demand for new generation of multi-functional materials with specific properties is highly growing. Superhydrophobic and self-healing materials are among these developments and have arisen as an unstoppable demand in the recent decades. In real world applications, coatings and surfaces are subjected to mechanical damages that are severe threat to the integrity of the structures. Once polymeric structures are damaged, there might be few limited methods available to sustain their functional lifetime. By the inspirations from mother nature and biological systems, the self-healing composite materials are designed to trigger a self-repair response without any or slight external human intervention. Herein, we aimed at designing a multifunctional superhydrophobic coating in order to increase the effective life-span of high-voltage insulators by preventing and/or delaying the possible arcing and flashover driven damages that originated from wettability issues and mechanical damages. Firstly, a telechelic silanol terminated polydimethylsiloxane (DMS-S12) and catalyst (Dibutyl tin dilaurate, DBTL) were encapsulated inside poly (melamine-urea-formaldehyde) shells separately via emulsion polymerization technique. The encapsulation of core materials, surface morphology and size distribution of microcapsules, and thermal stability of microcapsules were investigated. The synthesized microcapsules were obtained within a size range of 10-110 μm showing a spherical and uniform morphology, and thermal stability up to elevated temperatures. The microcapsules were incorporated inside a polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer matrix, namely SILGARD 184, and the healing performance of the silicone composite was evaluated by monitoring a crack repair via scanning electron microscopy (SEM) and measuring the extent of recovery in mechanical properties via tensile and tear tests. The composites containing microcapsules depicted self-healing efficiencies of 67% and 55% calculated based on the recovered toughness and tearing energy of the healed samples. Secondly, a silicone-based superhydrophobic (SHP) coating was developed using spray coating method which was applicable to a variety of substrates including glass, porcelain, aluminum, and steel. The developed coating exhibited contact angle of 163° and contact angle hysteresis of 2.3° with excellent self-cleaning (in both dry and wet pollution scenarios) and icephobic (low ice adhesion and high delay in freezing time) properties. Robustness and durability which are the Achilles heel of superhydrophobic materials were assessed via a set of mechanical and chemical testing techniques in which the great non-wetting properties of the as-prepared coating was shown to be maintained even after various extreme treatments, i.e., waterjet impacting, immersing in pollutants and acid/base solutions for 24 h, tape peeling test, and sandpaper abrasion. Thirdly, the performance of superhydrophobic coating under electrical stress was evaluated employing a variety of methods including dielectric spectroscopy analyses, flashover voltage measurements tests, condensation, and inclined plane tests. The SHP coating represented lower dielectric permittivity and loss factor compared to a pristine sample within the frequency range of 10-4 – 103 Hz. Also, the leakage current results showed that the coating successfully reduced the leakage current on its surface in environments with high humidity. Moreover, the developed coating was able to increase flashover voltage in different conditions including dry, wet, and polluted states. Lastly, the obtained self-healing microcapsules were adapted for incorporation in thin layer surface coatings by some modifications in the process parameters. The SEM observations illustrated mean diameters of 18 and 16 μm for microcapsules. For the evaluation of self-healing ability, the scratched coatings were visually inspected using microscopy imaging. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was employed to quantitatively investigate the self-healing function of the as-prepared coating. The self-healing efficiency and delamination index of the coating were calculated using the obtained data from EIS measurements (charge transfer resistance (Rct) and impedance (Z0.01 Hz)). The data showed self-healing efficiencies up to 96% compared to the blank superhydrophobic coating. The delamination index of the samples also confirmed the healing of the microcrack after 48 hours. Avec l’émergence dans plusieurs domaines de nouveaux types de matériaux, polymères et technologies qui ont révolutionné les infrastructures sociales et industriels, la demande pour des matériaux de nouvelle génération multifonctionnels à propriétés spécifiques enregistre une forte croissance. Notamment, les matériaux superhydrophobes et autoréparant ont connu une ascension fulgurante, au cours des dernières décennies. Dans des applications pour la vie quotidienne, les revêtements et les surfaces subissent de sévères contraintes mécaniques qui affectent l’intégrité des structures à long terme. Pourtant, il existe très peu de méthodes disponibles pour maintenir l’efficacité et leur durabilité lorsque les surfaces polymériques sont abimées. Ainsi, s’inspirant de mère nature et du potentiel auto-régénérassions des systèmes biologiques, des matériaux composites autoréparant ont été développé pour apporter une solution auto-réparatrice avec très peu voire aucune intervention humaine. Ici, la conception d’un revêtement superhydrophobe multifonctionnel capable d’augmenter la durée de vie effective des isolateurs à haute tension est au coeur de notre préoccupation. Ce dernier vise à prévenir voire retarder les éventuels dommages mécaniques causés par les arcs électriques et les contournements résultant de problèmes de mouillabilité et de ces dommages. Dans un premier temps, un polydiméthylsiloxane doté d’une terminaison en silanol téléchélique (DMS-S12) et un catalyseur (dilaurate de Dibutylétain, DBTL) ont été encapsulés séparément dans membrane de poly (mélamine-urée-formaldéhyde) via la technique de polymérisation en émulsion. L'encapsulation des matériaux du noyau ainsi que la morphologie de surface, la distribution de leur taille et la stabilité thermique des microcapsules ont été étudiées. Les microcapsules synthétisées présentaient un diamètre compris entre 10-110 μm avec une morphologie sphérique et uniforme, et une stabilité thermique jusqu'à des températures élevées. Celles ont été incorporées par la suite à l'intérieur d'une matrice élastomérique de polydiméthylsiloxane (PDMS), dénommée SILGARD 184 pour former le revêtement composite. Le potentiel de cicatrisation du composite de silicone ainsi obtenu a été évalué en surveillant une réparation de fissure par microscopie électronique à balayage (MEB) et en mesurant l'ampleur de la récupération des propriétés mécaniques par des essais de traction. Dans un second temps, le revêtement développé a été appliqué par pulvérisation sur une variété de substrats notamment le verre, la porcelaine, l'aluminum et l'acier. Le revêtement présent un angle de contact de 163° et une hystérésis d'angle de contact de 2.3° avec d'excellentes propriétés autonettoyantes (évalué en pollution sèche et humide) et glaciophobes (faible adhérence à la glace et retard élevé du temps de congélation). La robustesse et la durabilité représentent généralement le talon d'Achille des matériaux superhydrophobes. C’est pourquoi un ensemble des essais mécaniques et chimiques ont été effectués pour évaluer la robustesse du revêtement final vis à vis des conditions réels. Les résultats recueillis ont confirmé la stabilité des propriétés du revêtement développé soumis à conditions extrêmes. Troisièmement, la performance du revêtement superhydrophobe final (SHP) sous contrainte électrique a été évaluée à l'aide de diverses méthodes tels que la spectroscopie diélectrique, des tests de mesure de tension d'amorçage, de condensation et des tests de plan incliné. Le revêtement SHP offrait une permittivité diélectrique et un facteur de perte inférieurs à ceux d'un échantillon vierge dans la plage de fréquences est comprise entre 10-4 et 103 Hz. De plus, les résultats portant sur le courant de fuite ont montré que le revêtement réduisait avec succès le courant de fuite à sa surface dans des environnements à forte humidité. En plus, une augmentation de la tension de contournement dans différentes conditions qu’il s’agisse d’un état sec, humide ou pollué a été observée. Enfin, les microcapsules autoréparants obtenues ont été adaptées/ redimensionnées pour être incorporées dans des revêtements de surface de manière à obtenir une couche mince grâce à certaines modifications des paramètres du procédé. Les observations MEB ont révélé des diamètres moyens de 18 et 16 μm pour les microcapsules. Concernant l'évaluation de la capacité d'auto-guérissons, les revêtements ont été rayés et inspectés visuellement en utilisant l'imagerie par microscopie. La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) a été également utilisée pour étudier quantitativement la fonction d'auto-guérissons du revêtement tel que préparé. L'efficacité d'auto-guérissons et l'indice de délaminage du revêtement ont été calculés à l'aide des données obtenues à partir des mesures EIS (résistance de transfert de charge (Rct) et impédance (Z0.01 Hz)). Les données ont montré des efficacités d'auto-guérissons allant jusqu'à 96% par rapport au revêtement superhydrophobe vierge. L'indice de délaminage des échantillons a également confirmé que la cicatrisation de la microfissure a lieu après 48 heures

Comportement multifonctionnel des composites comportant des nano/micro renforts

Due to the outstanding mechanical electrical and thermal properties, carbon nanotubes (CNTs) received worldwide attentions and intensive investigations in last decades. CNTs are greatly potential in applications such as energy storage and microelectronics. The one dimensional structure, high aspect ratio and low density, promote CNTs serving as the excellent fillers in composites field. However, due to the strong interactions, CNTs are usually difficult to be dispersed and aligned in a polymer matrix. Designing the CNTs construction reasonably is an effective way to ameliorate the dispersion states of CNTs in matrix. These specific hybrid constructions allowed CNTs arrays synthesized vertically onto the substrates through catalyst chemical vapor deposition method. These CNT arrays effectively overcome the problem of CNTs aggregation and promote the interconnection among CNTs, leading to a considerable improvement of multi-functional properties of composites. Graphite nanoplatelets (GNPs) served as substrate make their synthesizing products-GNP-CNTs hybrids (GCHs) possess distinct merits of all-carbon composition, totally-conductive coupling structure and the low intrinsic density. These GCHs constructions provide a great improvement in the dielectric and electrical properties of composites. However, the relationship between GCHs organization and synthesizing conditions during CVD process and the influence of the addition of GCHs to internal conductive networks have not been reported in detail. These mentioned issues will be investigated and discussed in this thesis, which is divided into four chapters:The first chapter makes a general review of the structure, properties, application and synthesis of CNTs and GNP substrates, and the main procedures of fabricating composites and surface functionalization of CNTs. Moreover, a short introduction of the development of micro-nano hybrids applied to the functional composites is made. Most importantly, the developing electrical states and (di) electrical characteristics of composites with ever-increasing conducting filler loading are reviewed in detail at the last part.The second chapter discusses firstly the synthesis process through the CCVD approach and the relationship between CVD parameters and the corresponding construction of GCHs, where the temperature, gas composition and reaction time were controlled. The constructions CNT arrays are dependent on the synthesis conditions. Furthermore, the results obtained from analysis can provide a structural foundation for the huge application potential of GCHs constructions. The third chapter introduces the poly(vinylidene fluoride)-based nanocomposites containing GCH particles, the dielectric properties of which are improved more greatly than the ternary composites loading equivalent mixture of GNPs and CNTs. The composites achieved by dispersing GCH particles into matrix using the mechanical melt-mixing process, showing a strongly reduced percolation threshold (5.53 vol %) and the relatively high thermal stability. Their improved dielectric properties can be attributed to the formed microcapacitor networks and the change of crystalline formation of matrix, caused by well-designed CNT arrays constructions. The fourth chapter investigates the advanced GCHs/ polydimethylsilicone (PDMS) composites with high piezo-resistive performance at wide temperature range. The synthesized GCHs can be well dispersed in the matrix through the mechanical blending process. The flexible composite shows an ultra-low percolation threshold (0.64 vol%) and high piezo-resistive sensitivity (gauge factor ~103 and pressure sensitivity ~ 0.6 kPa-1). Particularly, the much improvements of electrical properties achieved in GCHs/PDMS composites compared with composites filled with equivalent CNT, GNP or mixture of CNTs/GNPs. Slight motions of finger can be detected and distinguished accurately using the composites film as typical wearable sensor.En raison de leurs propriétés mécaniques, électriques et thermiques exceptionnelles, les nanotubes de carbone (NTC) ont reçu une importante attention mondiale. Les NTC ont un grand potentiel dans différents domaines d'applications tels que le stockage d'énergie et la microélectronique. Grâce à leur structure unidimensionnelle, leur important facteur d'aspect et leur faible densité, les NTC servent comme charges dans les composites. Par contre, en raison des fortes interactions entre eux, il est difficile de les disperser et de les aligner dans une matrice de polymère.Il est connu qu'une bonne conception d'hybrides, constitués de NTC verticalement lignés sur des substrats, améliore de manière significative la dispersion de ces derniers dans la matrice. Ces hybrides sont préparés par le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Une fois, ces hybrides sont dispersés dans la matrice du composite cela conduit à une nette amélioration des propriétés multifonctionnelles de ce composite. Les substrats utilisés dans cette thèse sont les nanoplaquettes de graphite (NPG) pour donner des hybrides NPG-NTC que nous appellerons par la suite GCHs. Les GCHs ont l'avantage d'avoir une faible densité et une structure totalement conductrice qui améliore les propriétés diélectriques et électriques des composites.Dans l'état de l'art, les relations entre l'organisation des GCHs et les conditions de synthèse par CVD et entre l'ajout des GCHs dans les composites et les réseaux conducteur interne dans les composites n'ont jamais été étudiées. Pour cela, dans cette thèse, nous allons soigneusement étudier et discuter ces problèmes mentionnés.Dans le premier chapitre, nous présentons une revue générale de la structure, des propriétés, des applications et de la synthèse des NTC et des NPG. Nous présentons aussi les procédures de l'intégration des nanoparticules dans des matrices polymères et les méthodes de fonctionnalisation des NTC. Nous discutons aussi des états électriques et les caractéristiques (di)électriques des composites en fonction de la quantité de la charge conductrice.Le deuxième chapitre présente tout d'abord la synthèse des NTC sur les NPG par CVD. Ensuite, l'influence des paramètres de la CVD, la température, la composition du gaz et le temps de la réaction, ont été étudié. Les résultats qualitatifs et quantitatifs obtenus d'après les caractérisations des ces hybrides peuvent servir comme base de données pour l'intégration et l'influence des ces hybrides dans les composites.Le troisième chapitre présente les composites binaires polyvinylidene fluoride/GCHs et leurs propriétés diélectriques qui sont nettement améliorées par rapport aux composites ternaires composés de polyvinylidene fluoride/NPG/NTC. Les composites obtenus par dispersion des GCHs dans la matrice à l'aide du procédé d'extrusion-injection, présentent un seuil de percolation fortement réduit (5,53 vol%) et une stabilité thermique relativement élevée. Leurs propriétés diélectriques améliorées peuvent être attribuées à des réseaux sous forme de micro-condensateurs et le changement de la cristallinité de la matrice peut être attribué à la bonne conception des hybrides.Le quatrième chapitre étudie les composites GCHs/polydiméthylsiloxane (PDMS) avec la haute performance piézo-résistive dans une large gamme de température. Le composite présente un seuil de percolation ultra-bas et une grande sensibilité piézo-résistive. En particulier, les autres améliorations des propriétés électriques obtenues dans les composites GCHs/PDMS par rapport à celles des composites à base de NTC/PDMS, de NPG/PDMS ou encore de NTC-NPG/PDMS. Les légers mouvements des doigts peuvent être détectés grâce à l'usage de ces films composites en tant que capteurs de mouvement

An investigation of nanoscale materials and their incorporation in patch antenna for high frequency applications

The rapid development in the polymer-based electronic contribute a strong determination for using these materials as substitute to the high-cost materials commonly used as medium substrate in the fabrication of Microstrip Patch Antenna (MPA). Antenna technology can strongly gain from the utilisation of low-cost, flexible, light weight with suitable fabrication techniques. The uniqueness of this work is the use of variety of common but unexplored different polymer materials such as Polyethylene (PE), Polypropylene (PP), Polyvinyl chloride, (PVC) Polystyrene (PS), Polystyrene fibre (PSF) as the substrates for the design and fabrication of different MPAs for communication and sensing applications in millimetre wave (MMW)region. Electrospinning (ES) technique is used to reconstruct PS and produced PSF material of low dielectric constant. A co-solvent vehicle(comprising 50:50 ratio) of Dichloromethane (DCM) and acetone was utilised with processing condition of solution infusion flow-rate of 60μL/min and an applied voltage of 12± kV yielded rigid PSF substrates. The PSF Produced has complex permittivity of 1.36±5% and a loss tangent of 2.4E-04±4.8E-04 which was measured using Spilt-Post Dielectric Resonators (SPDR) technique at National Physics Laboratory, Teddington, London. A diamond-shaped MPAs on RT Duriod material were simulated and fabricated using photo-lithography for different inner lengths to work in the frequencies range from (1-10 GHz). The resonant frequency is approximated as a function of inner length L1 in the form of a polynomial equation. The fabricated diamond-shaped MPA more compact (physical geometry) as compared with a traditional monopole antenna. This MPAs experimentally measured and have a good agreement with the simulated results. The coplanar waveguide (CPW) diamond-shaped MPA working in the MMW region was designed and fabricated with polymer materials as substrates using thermal evaporation technique and the RF measurement was carried out using Vector Network Analyser (VNA). The resonant frequencies of the CPW diamond shaped MPAs for (PE, PP, PVC, PS and PSF) were found to be 67.5 GHz, 72.36 GHz, 62.41 GHz, 63.25 GHz and 80.58 GHz, respectively. The antenna fabricated on PSF were resonating at higher frequency when compared to the other polymers materials. In adding an air-bridge to the CPW diamond-shaped MPA the resonating frequency increased from ≈55 GHz to≈ 62 GHz. Three different shaped nano-patch antennas (Diamond shaped, diamond shaped array and T-shaped) have been designed, simulated and fabricated on Silicon substrate with DLC deposition using focused Ion Beam (FIB) technique, these antennas were found to resonate at 1.42 THz with (-19 dB return loss), 2.42 THz with (-14 dB return loss) and 1.3 THz with (-45 dB return loss) respectively