Thèse Mécanismes de Rupture Électromécanique dans les Matériaux Diélectriques Fragiles Intensification du Champ Électrique Local Induite par des Défauts et Propagation des Fissures H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Laboratoire de recherche : LAPLACE - Laboratoire PLAsma et Conversion d'Énergie Direction de la thèse : Zarel VALDEZ-NAVA ORCID 0000000293538250 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Les diélectriques solides sont essentiels pour les applications électriques à haute tension, notamment la conversion d'énergie, les systèmes à haut rendement et l'électrification embarquée dans les secteurs de l'automobile, de l'aéronautique et des énergies renouvelables. Bien que les mécanismes de rupture électronique et thermique soient bien documentés, la rupture électromécanique dans les matériaux fragiles, en particulier sous l'effet de contraintes mécaniques et électriques combinées, reste insuffisamment étudiée. Les modèles actuels recourent souvent à des approches réduites et ne disposent pas d'un cadre unifié intégrant les caractéristiques microstructurales, l'analyse multi-échelle et le couplage électromécanique complet. Sur le plan conceptuel, il existe une forte analogie avec la mécanique de la rupture, dans laquelle le critère de Griffith et les défauts préexistants permettent la propagation de fissures induite par un champ de contraintes.

Ce projet de thèse vise à établir le lien fondamental entre les propriétés électriques et mécaniques et la rupture diélectrique à l'aide d'une approche électromécanique. L'hypothèse centrale est que les défauts microstructuraux agissent comme des concentrateurs de contraintes mécaniques et de champ électrique qui initient et propagent les voies de claquage. Le projet permettra : (i) d'acquérir une compréhension globale des mécanismes de claquage électromécanique dans les céramiques et les polymères fragiles, (ii) d'établir des relations quantitatives entre les paramètres de la mécanique de la rupture (par exemple, le facteur d'intensité de contrainte et le taux de libération d'énergie), l'intensification du champ électrique et la rigidité diélectrique, (iii) concevra et mènera des expériences électromécaniques couplées à l'aide d'un banc d'essai unique au LAPLACE (Université de Toulouse), qui permet une application simultanée et entièrement configurable des contraintes, et (iv) analysera ces mécanismes par modélisation numérique.

Cette approche multi-échelle et multiphysique combine la caractérisation expérimentale (AFM, SEM, spectroscopie infrarouge/Raman et essais mécaniques/diélectriques) et la modélisation (modèles analytiques et simulations par la méthode des éléments finis/du champ de phase). Les résultats attendus sont des modèles améliorés qui pallient les limites actuelles, ainsi que des recommandations de conception fondées sur des données scientifiques pour les diélectriques haute performance. Ces résultats permettront de faire progresser la mise au point de systèmes d'isolation haute tension fiables destinés aux secteurs de l'énergie, de l'automobile et de l'aéronautique. Solid dielectrics are critical components in high-voltage power applications, especially in energy conversion and efficiency systems, as well as in onboard power electrification. High-performance systems require materials that combine high thermal conductivity and high dielectric strength. Currently, ceramics are the only materials that satisfy these dual requirements. Accurate knowledge of the limiting factors and failure mechanisms that impact overall performance is thus essential for the design of insulation systems. Electronic and thermal breakdown mechanisms are well documented for polymer-based insulation materials. However, the electromechanical breakdown mechanism, while accepted for brittle materials, remains insufficiently studied. There is a lack of fundamental studies on electromechanical breakdown, especially concerning the application of combined mechanical and electrical fields. The hypothesis is that electromechanical breakdown requires pre-existing mechanical defects that act as mechanical and electric field concentrators, which initiate and propagate breakdown paths. Conceptually, there is a strong analogy with standard fracture mechanics, where Griffith's criterion and pre-existing defects enable crack propagation induced by an stress field. Previous studies suggest that the mechanical stress intensification factor and local electrical contributions influence the total energy released during dielectric breakdown. However, directly tracking crack dynamics is challenging due to the very fast nature of crack propagation in ceramics, which difficults a proper understanidng of the phenomemon. Current models often adopt reduced approaches, focusing on either mechanical or electrical contributions. However, they lack a unified framework that integrates microstructural features, multi-scale analysis, and full electromechanical coupling. This limits the understanding and predictive capability of existing models, particularly for real-world applications where materials experience simultaneous electrical and mechanical stresses. The primary aim of this Ph.D. project is to establish the fundamental link between electrical properties, mechanical (fracture) properties and dielectric breakdown in brittle dielectric materials using an electromechanical approach. Specifically, the project will assume the presence of initial defects in materials and theorethically and experimentally examine the relationship between fracture mechanics, dielectric, and field intensification concepts under applied electrical fields of high magnitude. The central hypothesis is that microstructural features such as defects, grain boundaries, and inclusionscritically govern the initiation of dielectric breakdowngiven their interaction with electrical fields. Specifically, the project aims to:

(i) develop a comprehensive understanding of electromechanical breakdown mechanisms in solid dielectrics, mainly in ceramics, but also into brittle polymers;
ii) establish quantitative relationships between fracture mechanics parameters (e.g., stress intensity factor, energy release rate) electric field intensification in the vicinity of a crack and dielectric breakdown strength;
iii) design and conduct coupled electro-mechanical experiments to investigate the influence of the stress and electric fields on the dielectric strength of the material, when they are concurrently applied.
(iv) to analyze the contributions of the underlying mechanisms involved through numerical (finite element) modeling, enhancing the understanding of their interactions.

The project will provide science-based design guidelines for high-performance dielectric materials in high-voltage applications in industries such as automotive, aeronautics, and energy conversion systems.
The project will employ a multi-scale, multi-physics approach combining experimental characterization, analytical modeling, and numerical simulations.

Experimental Methodology: A unique coupled electromechanical test bench, developed at LAPLACE (University of Toulouse), enables the simultaneous, fully configurable application of electrical and mechanical stresses. This setup will allow the propagation of a crack under controlled conditions up to dielectric or mechanical breakdown, controlling the stress-to-electric field ratios. Model materials might include high-purity alumina, which serves as a representative ceramic, and a solid epoxy resin, which might serve as a representative polymer.

Comprehensive characterization might include:
State-of-the-art morphological and physicochemical analysis : Atomic force microscopy, scanng electron microscopy, Infrared spectroscopy, Raman spectroscopy.
Mechanical testing: Tensile, three-point bending, and sfracture mechanics test such as single-edge notched bendingto determine fracture toughness.
Dielectric characterization: Broadband dielectric spectroscopy, surface potential measurements and dielectric breakdown tests.
A unique setup in LAPLACE for coupled mechanical testing while applying high electric fields up to dielectric breakdonw, with the specimen immersed in a highly dielectric fluid.

Analytical models: A literature review will be conducted searching for closed-form analytical models which include fracture mechanics and dielectric principles to establish relationships between dielectric breakdown strength, defect size, material properties, and energy release rate. This methodology leverages the mechanical experience at CICY (Mexico) and the dielectric one at UT to ensure access to complementary expertise and infrastructure for multidisciplinary analyses.

Numerical modeling: Finite element modeling (FEM) could be used to simulate electric field distribution and mechanical stress concentration around defects of various sizes and shapes. Among the possible strategies, progressive FEM models could targeted to track the evolution of field intensifications around defects from dielectric to conductive states as local electric fields reach critical values, also phase field modeling could be explored to describe the transition between insulating and non-insulating states at a front of a propagating crack.

Un diplôme d'ingénieur (équivalent à un master de recherche) en génie électrique, en génie mécanique, en physique ou en mécatronique, associé à une expérience de recherche dans les domaines des matériaux, des essais électromécaniques et de la modélisation par éléments finis. Une expérience en rédaction scientifique est souhaitée ; celle-ci peut être attestée par au moins une publication en tant qu'auteur principal dans une revue internationale à comité de lecture.

Application link : https://edd-projets.utoulouse.fr/