UPThèses

Avec la nouvelle génération d'avions composites, une attention est portée sur les systèmes de carburant vis-à-vis de la prévention des décharges électrostatiques (ESD) durant les phases de remplissage des réservoirs. La plupart des travaux réalisés en aéronautique a été menée sur des réservoirs métalliques. Toutefois, l'introduction des matériaux composites a soulevé de nouvelles interrogations, puisque ces matériaux peuvent avoir un comportement différent des métaux vis-à-vis de l'électrisation par écoulement, qui justifient pleinement de nouvelles analyses. Afin de définir correctement les structures des réservoirs et leur protection contre les risques ESD, il est crucial de comprendre comment un empilement complexe de matériaux se comporte en termes de création de charge lorsque ces matières sont en contact avec un carburant d'avion. La structure de ces matériaux et leurs propriétés électriques contrôlent le potentiel électrique atteint dans le réservoir à travers un équilibre entre la production, l'accumulation et la fuite des charges électriques. Ce potentiel peut dépasser le point d'éclair du mélange air/vapeurs de carburant et provoquer une inflammation. Diverses mesures de protection peuvent être adoptées pour contrôler ce phénomène, comme utiliser des additifs antistatiques dans les carburants, des réservoirs métalliques à la masse ou encore des réservoirs faits de matériaux non métalliques mais ne favorisant pas l'accumulation de charges. C'est principalement en réponse à cette dernière solution que ce travail est orienté afin de guider vers le choix optimaux des matériaux et une meilleure définition des structures du réservoir.

A l'interface solide-liquide, des réactions physicochimiques conduisent à polariser l'interface et à former la double couche électrique (DCE). La circulation du liquide transporte une partie des charges électriques de la DCE et conduit au phénomène d'électrisation par écoulement. Dans les transformateurs de puissance, constitués, entre autres, d'huile minérale et de carton d'isolement, le phénomène d'électrisation est suspecté d'être à l'origine de certaines défaillances et accidents. Dans cette problématique de risque, de nombreuses études ont été menées et ont permis de mettre en évidence l'influence de paramètres significatifs : nature des matériaux, humidité des matériaux, géométrie et vitesse de l'écoulement, température. Peu d'études se sont concentrées sur l'influence du champ électrique, en particulier les champs continus (DC). Même si le champ électrique généré dans les équipements de puissance est principalement alternatif (AC), il n'en est pas moins vrai que des champs électriques continus (DC) résiduels peuvent être présents, en particulier dans les dispositifs H.V.D.C (High Voltage Direct Current). L'objet du travail s'inscrit dans ce contexte et a pour but, dans une approche à la fois expérimentale et numérique, d'apporter des éléments de réponse sur le développement et le transport des charges de la double couche électrique sous contrainte de champ électrique externe.

Ce travail de thèse porte sur l’étude du phénomène d’électrisation par impact de billes de verre en contact avec divers matériaux polymères. Bien qu’étant un phénomène sensible dans de nombreux procédés industriels, le chargement triboélectrique reste un phénomène imprédictible et mal compris dès lors qu’il implique des matériaux diélectriques. Pour apporter une contribution à la compréhension de ce sujet, ce manuscrit rapporte le développement et l’utilisation d’un dispositif expérimental permettant la mesure de la charge électrostatique acquise par une bille au cours d’un impact unique avec une cible diélectrique. Le dispositif expérimental est décrit en détails dans un premier temps, depuis les choix de conceptions jusqu’au protocole expérimental final mis en place. Le comportement triboélectrique du verre contre des cibles en polymères de deux matériaux différents, le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le polyuréthane (PU), est ensuite étudié à travers des campagnes de mesures portant deux catégories de paramètres : les paramètres mécaniques de l’impact d’une part, et les paramètres chimiques et environnementaux d’autre part. Dans cette première partie, l’importance respective de la composante normale et tangentielle de la vitesse de la bille par rapport au repère de la cible dans le chargement triboélectrique sont analysées pour les deux matériaux. En plus de valider la généralité de certains résultats expérimentaux de la littérature scientifique, les données observées permettent également de mettre en évidence l’importance des mécanismes de relaxation de charges par décharge électrique après séparation dans le chargement triboélectrique du PU. Des études sur des billes de plusieurs diamètres et sur d’autres matériaux de cibles ont été utilisés en complément pour permettre une discussion approfondie du sujet. Dans la deuxième partie, une analyse des conditions de surface des billes est d’abord réalisée à travers le protocole de préconditionnement chimique utilisé pour obtenir un état de référence. Des campagnes de mesures réalisées pour analyser les effets de l’humidité relative et de la température sur le chargement triboélectrique par impact sont ensuite présentées. Pour finir, les effets d’additifs chimiques placés en surface des billes de verre sont étudiés dans plusieurs configurations d’humidité.

Dès la mise en contact d’une surface solide avec un liquide des réactions physicochimiques, encore mal identifiées, sont à l’origine de la création de la double couche électrique (DCE). Quelle que soit la nature du couple solide/liquide, les charges produites dans cette réaction se répartiront en deux couches de polarité opposée : une dans le liquide et l’autre dans le solide. Une partie des charges présentes dans le liquide peuvent être facilement mises en mouvement par l’écoulement du liquide. Ce transport des charges électriques perturbe alors l’équilibre statique de la DCE et conduit vers un nouvel état, l’équilibre dynamique. Ce phénomène, appelé électrisation par écoulement, est particulièrement craint des industriels puisqu’il peut être à l’origine d’une accumulation de charge suffisante pour inciter des décharges électrostatiques. Ces décharges peuvent alors altérer durablement les propriétés des matériaux au sein des différents équipements. C’est dans ce contexte que l’Institut Pprime a développé, depuis de nombreuses années, une activité de recherche débouchant sur la mise au point de moyens de mesures originales tels que la « Petite boucle ». Cette boucle est constituée d’un circuit fermé de circulation de liquide dans laquelle est inséré un capteur parfaitement isolé électriquement. Ce capteur permet de quantifier l’ensemble des échanges électriques globaux se produisant à l’interface solide/liquide durant une mise en écoulement. Cependant, l’organisation locale des charges électriques s’accumulant au sein du solide tout le long de la canalisation n’a pas encore été quantifiée. L’objectif de ce travail de thèse est de développer une métrologie permettant d’établir une cartographie 1D, continu dans l’espace, de la distribution des charges électriques dans la partie chargée du solide diélectrique durant un écoulement. Le travail se décompose en deux grandes phases. La première phase correspond au développement et à la calibration du capteur permettant d’effectuer la mesure. Le principe de la mesure repose sur la génération d’un courant capacitif induit par la variation du potentiel d’interface lors du déplacement d’une électrode en vis-à-vis de l’interface à mesurer. La calibration est faite en dehors du dispositif expérimental à l’aide d’une interface avec un potentiel de référence parfaitement maîtrisée permettant d’estimer la sensibilité et la résolution du dispositif. L’analyse théorique du capteur, confortée par une étude paramétrique expérimentale, a permis d’établir et d’optimiser la sensibilité et la résolution de cette technique. Durant la seconde phase, le capteur est introduit sur le dispositif expérimental en face du canal d’écoulement. Les premières mesures prises à l’interface solide/liquide ont permis de conforter en partie les attentes théoriques. La distribution du potentiel dans le premier tiers de la canalisation est hétérogène et présente un pic maximal selon les conditions expérimentales. Ces mesures ont également montré que l’augmentation de la vitesse d’écoulement et l’isolation de la veine aggravent la montée en potentiel. Des mesures à différents instants de l’écoulement ont aussi permis de suivre temporellement le développement progressif de l’amplitude du potentiel depuis l’équilibre électrostatique initial. Toutes ces mesures ont été également validées par des mesures de potentiel discret dans l’espace selon des méthodes plus conventionnelles.