COMPOSITES PLA/NANOTUBES DE CARBONE POUR APPLICATIONS A LA THERMOELECTRICITE
Résumé
Depuis quelques années, les semi-conducteurs organiques, élaborés à partir de
composites à matrice polymère chargés en nanotubes de carbone (NTC), suscitent un intérêt
croissant pour des applications thermoélectriques basses températures (T<150°C), du fait de
leur faible conductivité thermique intrinsèque, leur facilité de mise en oeuvre, leur légèreté, leur
flexibilité et leur faible coût. Les performances d'un matériau thermoélectrique, qui convertit
l’énergie thermique en électricité grâce à l’effet Seebeck, sont évaluées à une température T
par le facteur de mérite adimensionnel ZT défini par ���� =
����2
κ
�� où σ est la conductivité
électrique, S le coefficient Seebeck et κ la conductivité thermique. Aussi, pour améliorer les
performances d’un matériau thermoélectrique, il faut augmenter sa conductivité électrique et
son coefficient Seebeck tout en maintenant une faible conductivité thermique, alors que ces 3
paramètres sont fortement interdépendants.
Les résultats présentés ici concernent des composites à base d’acide polylactique
(PLA) et de NTC multi-parois avec des taux massiques variant entre 2 et 40%, préparés par
différents procédés d’élaboration (voie fondue/voie solvant) en vue d’étudier les relations entre
élaboration, structure et propriétés thermoélectriques. Deux grades de PLA (un cristallisable
et un amorphe) ont été sélectionnés. Deux types d’échantillons ont été préparés: a) des films
d’environ 500 microns d’épaisseur, obtenus suite à une post-opération de thermo-compression sur lesquels des mesures de conductivité électrique sont réalisées dans le plan, par la méthode
des 4 pointes, et dans l’épaisseur de l’échantillon, par spectroscopie diélectrique, b) des films
plus minces, de l’ordre de 10 m d’épaisseur, obtenus par “drop-casting”, et pour lesquels la
conductivité électrique a été mesurée par la méthode de Van de Pauw implémentée dans le
Thin film Analyser (TFA) de Linseis.
La dispersion des charges dans la matrice polymère, analysée par microscopie
électronique à balayage, semble peu affectée par le procédé d’élaboration, ni par la nature
amorphe ou semi-cristalline de la matrice : des agglomérats et des tubes élémentaires sont
observés pour les deux méthodes d’élaboration. S’agissant des propriétés thermoélectriques,
comme attendu, le facteur de mérite augmente avec la concentration en NTC, avec une valeur
plateau à partir de 30% en masse de NTC. Cette évolution résulte principalement de
l’augmentation considérable, de plusieurs ordres de grandeurs, de σ avec l’ajout de NTC, alors
que la diminution prévue du S reste limitée, tout comme l’augmentation de κ. L’un des résultats
intéressants de cette étude est l’observation d’une forte anisotropie de la conductivité
électrique dans les échantillons épais, la conductivité électrique dans le plan s’avère 100 à
1000 fois plus élevée que celle mesurée dans l’épaisseur qui est quasi identique à celle
mesurée sur les échantillons élaborés par drop-casting,. Le ZT le plus élevé, obtenu dans cette
étude, est de l’ordre de 10-4 pour les films minces chargés avec 40 % en masse de NTC et à
température ambiante. Cette valeur est l’une des meilleures trouvées dans la littérature pour
des systèmes polymères/MWCNT.