Étude du comportement physico-chimique et électrique de polymères spatiaux sous irradiation de haute énergie

In space environment, satellites have to cope with strong level of energetic particles (electrons, protons), which can lead to an accumulation of electrical charges on devices and insulators. The implantation of these charges in the materials can generate the initiation of electrostatic discharges and electric arcs. These discharges are potentially dangerous and can create electromagnetic disturbances, power losses or even lead to the destruction of some onboard system. To overcome these possible risks, it is necessary to have a good prediction of the charging materials behaviour under space irradiation. It is therefore essential to have a good understanding, from a microscopic/macroscopic point of view, electron/material interactions, charge transport processes and ageing mechanisms. Indeed, high energy irradiation irreversibly degrades the chemical structure of the material, which affects its electrical behaviour during the space mission. High-energy electronic irradiation on polymeric materials leads to a specific evolution of surface potential due to what is called: Radiation Induced Conductivity (RIC). This RIC is described through models developed at ONERA and based on band theory models applied to imperfect insulator materials to predict these charge and ionization effects. However, some physical mechanisms are not taken into account in these models, and more specifically: energy transfer processes and ageing effects. To highlight these mechanisms and for the extraction of physical parameters related to the models, new experimental techniques must be developed at ONERA: in particular the Thermally Stimulated Current (TSC) and Cathodoluminescence (CL) measurement techniques. Thermally Stimulated Current measurements allowed characterization of the the energy levels and energetic distributions of traps present in different families of space-used polymers (polyimides, fluoropolymers and polyaryletherketones). Important physical parameters for predictive models, such as activation energy distribution profiles, detrapping times as well as densities of traps have thus been extracted using different analysis methods. The effect of aging under high radiation dose was also studied, demonstrating a modification of the band structure associated with the creation of deeper traps levels. Cathodoluminescence measurements have made it possible to observe radiative energy transitions on different space-used polymers. The comparison of CL spectra between polymers with similar chemical structures allowed us to have a first approach on the origin of the different contributions involved. To support these results, a parametric study (temperature, dose) was achieved to propose qualitative models and reaction processes at the origin of luminescence.The objective of this PhD study was therefore to characterize and model the physical mechanisms governing the charge potential of different space-used polymers and to highlight the aging mechanisms. The experimental data derived from these studies have been added into existing charge transport models in order to have a better description of the charging/discharging behavior of materials under space irradiation in both pristine and aged condition.En environnement spatial, les satellites doivent faire face à des radiations de particules énergétiques (électrons, ions) de forte intensité, pouvant conduire à une accumulation de charges électriques sur les dispositifs et isolants. L’implantation de ces charges au sein des matériaux, peut initier l’amorçage de décharges électrostatiques et d’arcs électriques. Ces décharges potentiellement dangereuses peuvent générer des perturbations électromagnétiques, des pertes de puissance, voir conduire à la destruction de sous-systèmes embarqués. Pour pallier à ces risques éventuels, il est nécessaire d’avoir une bonne prédiction du comportement en charge des matériaux sous irradiation spatiale. Il est donc primordial de bien comprendre, d’un point de vue microscopique/macroscopique, les interactions électrons/matériaux, les processus de transport de charges ainsi que les mécanismes de vieillissement. En effet, l’irradiation de haute énergie dégrade de manière irréversible la structure chimique du matériau, ce qui affecte son comportement électrique au cours de la mission spatiale. L’irradiation électronique de haute énergie sur des matériaux polymères conduit à une évolution particulière du potentiel de surface due à ce que l’on appelle : la conductivité induite sous irradiation (RIC en anglais : Radiation Induced Conductivity). Cette RIC est décrite au travers de modèles développés à l’ONERA et basés sur la théorie des bandes appliquée aux matériaux isolants imparfaits pour prédire les effets de charge et d’ionisation. Cependant, certains mécanismes physiques ne sont pas pris en compte dans ces modèles, et plus particulièrement : les processus de transfert énergétique et les effets de vieillissement. Pour mettre en évidence ces mécanismes et pour l’extraction de paramètres physiques liés aux modèles de nouvelles techniques expérimentales doivent être développées à l’ONERA : il s’agit en particulier de la technique de mesure courant thermostimulé (CTS) et de la cathodoluminescence (CL).Les mesures de courant thermostimulé ont permis de caractériser les niveaux et distributions énergétiques de pièges présents dans différentes familles de polymères à usage spatial (polyimides, fluoropolymères et polyaryléthercétones). Des paramètres physiques importants pour les modèles prédictifs, tels que les énergies d’activation, les temps de dépiégeage ainsi que les densités de pièges ont ainsi pu être extraits via différentes méthodes d’analyse. L’effet du vieillissement sous forte dose radiative a également été étudié, démontrant une modification de la structure de bande associée à la création de niveaux de pièges plus profonds. Les mesures de cathodoluminescence ont rendu possible la mise en évidence de transitions énergétiques radiatives sur différents polymères à usage spatial. La comparaison des spectres CL entre des polymères de structures chimiques proches a permis d’avoir une première approche sur l’origine des différentes contributions mises en jeu. Pour conforter ces résultats, une étude paramétrique (température, dose) a été réalisée afin de proposer des modèles qualitatifs et des schémas réactionnels sur les processus à l’origine de la luminescence.Ce travail de doctorat a donc pour objectif de caractériser et de modéliser les mécanismes physiques gouvernant le potentiel de charge de différents matériaux polymères à usage spatial et de mettre en évidence les mécanismes de vieillissement. Les données expérimentales déduites de ces études ont parallèlement alimenté des modèles existants de transport de charges afin d’avoir une meilleure description du comportement en charge/décharge des matériaux sous irradiation spatial à l’état neuf et vieilli