Du graphène à l’électrotechnique

La recherche d’Éric David, professeur à l’ÉTS, se situe au croisement de la science des matériaux polymériques et de l’ingénierie haute tension. Depuis plus de vingt-cinq ans, il s’intéresse à un élément en apparence secondaire mais absolument crucial dans les équipements électriques : les systèmes d’isolation. Constitués principalement de polymères, ces isolants doivent résister à des contraintes mécaniques, électriques et thermiques importantes. Ils sont aussi, paradoxalement, le point faible de nombreux appareils : moins robustes que les métaux comme le cuivre ou l’acier, ils dictent souvent la durée de vie de plusieurs équipements critiques comme les grandes machines tournantes alimentant les réseaux électriques.

Une part importante des recherches du professeur David est également consacrée aux matériaux polymériques eux-mêmes, et plus précisément à la manière de modifier leurs propriétés en y intégrant des renforts carbonés. L’ajout de particules de carbone — pourtant microscopiques — permet d’ajuster la conductivité, de renforcer la résistance mécanique ou d’optimiser la dissipation de la chaleur.

C’est dans cette optique que s’inscrit une collaboration de longue date avec NanoXplore, une entreprise montréalaise devenue l’un des plus importants producteurs de graphène au monde. Le graphène, constitué d’une unique couche d’atomes de carbone, présente des propriétés exceptionnelles : conductivité élevée, grande résistance mécanique, flexibilité, stabilité thermique. Il offre aussi un avantage environnemental majeur puisque sa production émet environ dix fois moins de gaz à effet de serre que celle du noir de carbone traditionnel, largement utilisé dans l’industrie pour renforcer les polymères.

Selon la concentration intégrée au matériau, le graphène permet d’obtenir des performances très différentes. À faible teneur (moins de 1 %), il améliore les propriétés isolantes des polyoléfines utilisés par exemple comme mur isolant dans les câbles extrudés utilisés pour le transport et la distribution de l’électricité. À des concentrations plus élevées (environ 5 à 8 %), le composite atteint le seuil de percolation et devient conducteur : on peut alors créer des revêtements semi-conducteurs performants et durables pour les machines tournantes et autres équipements électrotechniques.

Les applications qui en découlent sont nombreuses : facilitation du recyclage des plastiques en améliorant leur mise en forme, renforcement des films minces pour les batteries à l’aide de noir de carbone ou de graphène, ou encore protection des matériaux exposés aux rayonnements ultraviolets. Un projet plus prospectif d’Éric David porte même sur la conception de polymères capables de protéger contre les rayonnements cosmiques, dans un contexte d’exploration lunaire.

Des outils pour mieux diagnostiquer et prolonger la vie des équipements

L’autre pan majeur des travaux d’Éric David concerne la fiabilité des grands équipements électriques, en particulier ceux d’Hydro-Québec. Les alternateurs hydroélectriques — dont certains ont plus de 50 ou 60 ans — doivent être évalués régulièrement pour éviter les arrêts d’urgence et de planifier les réfections. Le professeur David a contribué à mettre au point des techniques de diagnostic fondées sur la mesure des propriétés diélectriques des systèmes d’isolation, ainsi que les logiciels nécessaires pour interpréter ces mesures.

Ces outils permettent de classifier l’état d’un parc d’équipements et d’identifier ceux les plus susceptibles de tomber en panne. Aujourd’hui, Éric David participe activement au processus de normalisation de ces méthodes afin d’établir des standards internationaux pour leur réalisation et leur interprétation.

En parallèle, il a travaillé à la conception de condensateurs très haute tension « sec », sans huile isolante synthétique, capables de supporter sans décharge des champs électriques de l’ordre de 100 kV/mm — une avancée technologique importante dans un domaine traditionnellement dépendant de liquides d’origine minérale ou synthétique.

Une expertise au cœur des enjeux énergétiques actuels

Qu’il s’agisse de développer des nanocomposites pour l’industrie du transport d’énergie, d’améliorer la fiabilité des machines électriques ou d’imaginer des matériaux adaptés aux environnements extrêmes, les travaux d’Éric David ont un objectif commun : rendre les systèmes électriques plus performants, plus sûrs et plus durables.

En maîtrisant la structure microscopique des polymères et en y intégrant des renforts comme le graphène, il ouvre la porte à une nouvelle génération de matériaux pour l’électrotechnique — des matériaux à la fois plus efficaces, plus verts et mieux adaptés aux défis énergétiques d’aujourd’hui et de demain.