Les travaux présentés dans cette thèse ont été réalisés au sein des laboratoires de Génie Électrique et Ferroélectricité de l'INSA Lyon et Physique de la Matière Condensée de la Faculté des Sciences d'El Jadida dans le cadre d'une convention entre l'INSA Lyon -France et l'Université Chouaib Doukkali d'El Jadida - Maroc. Les tendances récentes dans l'industrie et la recherche se sont concentrées sur les polymères électroactifs pour la conversion électromécanique de l'énergie. Le deuxième point concerne l'étude de l'efficacité de la conversion électromécanique pour la récupération d'énergie mécanique par analyse spectrale FFT.
Obtenir l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement de ces appareils constitue donc une préoccupation majeure. Les travaux développés dans cette thèse ont porté sur l'évaluation des propriétés de conversion électromécanique de polymères électrostrictifs pour la récupération de l'énergie mécanique vibrationnelle. Il s'agira d'étudier la répartition des particules dans la matrice dans le but d'homogénéiser les composites.
Tout d’abord, la dépendance de leur déformation à l’amplitude du champ électrique, à la fréquence, à l’épaisseur et à la polarisation mécanique appliquée sera abordée. Le cinquième chapitre, qui conclut ce travail de thèse, portera sur l'étude de l'efficacité de la conversion électromécanique de polymères électrostrictifs.
ETAT DE L’ART
H ISTORIQUE
On observe le champ électrique d'une antenne WiFi de 2,45��� en fonction de la distance à la source.
D EFINITION
C LASSIFICATION DES EAP S
- Famille électronique
- Famille ionique
C ARACTERISTIQUES DES DEUX FAMILLES
P ROPRIETES EN MODE ACTIONNEUR
- Principe de fonctionnement des polymères piézoélectriques
- Principe de fonctionnement des polymères électrostrictifs
- Principe de fonctionnement des polymères diélectriques
- Les IMPC en actionneur
P ROPRIETES EN MODE GENERATEUR
- Matériaux piézoélectriques
- Matériaux électrostrictifs
- Les polymères diélectriques
- Les polymères ioniques type IPMC
BILAN GENERAL DES SYSTEMES DE LA RECUPERATION D’ENERGIE
- L ES RESSOURCES ENERGETIQUES AMBIANTES
- Les ressources mécaniques
- Les ressources thermiques
- Les ressources électromagnétiques
- S YNTHESE DU POTENTIEL DE RECUPERATION D ’ ENERGIE
CONCLUSION
Bar-Cohen, Electroactive polymer actuators as artificial muscles: reality, potential and challenges, SPIE Press, Bellingham, Washington, USA, 2001. De Rossi, Electroactive polymer-based devices for e-textiles in biomedicine, University of Pisa, Italy IEEE -Transaction on Information in Biomedicine, Vol 9 No 3, Sep 2005. Shahinpoor, "Ionic Polymer-Metal Composites: II Fabrication Techniques" Artificial Muscle Research Institute, University of New Mexico, USA Smart Materials and Structures.
Zhang, Electrostrictive Polymers for Mechanical Energy Harvesting, Department of Electrical Engineering, Penn State University, USA Conference on Electroactive Polymer Actuators and Devices, San Diego, 2004 SPIE vol 5385. Stanford, Dielectric Elastomer: Fundamentals and Applications of Generator Mode, SRI International , USA Conference on Electroactive Polymer Actuators and Devices, 2001 SPIE vol 4329. J Kim, "Ionic Polymer-Metal Composites: I Fundamentals" Research Institute for Artificial Muscles, University of New Mexico, USA Smart Material sand structures, 2001.
Shahinpoor, Smart thin-plate batteries made with ionic polymer-metal composites (IPMCs), Proceedings of ASME-IMECE2 (2004). Sands, Electroactive polymer actuators and devices, DARPA Conference on Electroactive polymer actuators and devices, Newport Beach, California, May 1999 SPIE vol 3669.
PREPARATION ET CARACTERISATION DES POLYMERES
L ES PARAMETRES DIELECTRIQUES DES POLYMERES
- La permittivité diélectrique et Pertes diélectriques
- Phénomène de polarisation dans les polymères
L E COMPORTEMENT MECANIQUE DES POLYMERES
- Le comportement élastique
- Le comportement viscoélastique
CHOIX DES MATERIAUX ET PROCEDURE DE PREPARATION
- C HOIX DES MATRICES
- La matrice de polyuréthane (PU)
- La matrice de terpolymère P(VDF-TrFE-CFE)
- C HOIX DES NANOPARTICULES ET PHENOMENE DE PERCOLATION
- Qu’est-ce qu’un nano-composite ?
- Phénomène de percolation
- Choix des nanoparticules
- P ROCESSUS DE FABRICATION DES POLYMERES COMPOSITES
- Les différentes méthodes de dispersion des nanoparticules dans les systèmes polymères
- Protocole d’élaboration des composites au LGEF
CARACTERISATION DES POLYMERES ELECTROSTRICTIFS ET COMPOSITES
- C ARACTERISATION DIELECTRIQUE
- Principe de mesure
- Résultats expérimentaux
- C ARACTERISATION MECANIQUE
- Principe de mesure
- Etude théorique
- Résultats expérimentaux et discussion
- S YNTHESE SUR LA CARACTERISATION
CONCLUSION
Au cours de ce chapitre, nous avons axé notre étude sur le développement et la caractérisation de polymères électrostrictifs afin d'identifier leurs propriétés intrinsèques qui jouent un rôle. Dans ce contexte, plusieurs points ont été abordés : Afin de disposer des outils nécessaires à l'amélioration des performances en mode actionneur et à la récupération d'énergie, une étude bibliographique a d'abord été entreprise à partir de la description des principaux paramètres diélectriques et mécaniques des actifs électropolymères. phase. D'après une étude réalisée au LGEF sur la répartition à deux échelles différentes (microscopique et macroscopique), cette méthode montre une répartition homogène des charges dans les différentes matrices du polymère étudié.
La dernière partie est consacrée à l'analyse des résultats expérimentaux réalisés lors de la caractérisation électrique puis mécanique des polymères. Pour cela, un banc d'essais a été mis en place pour chaque caractérisation avec des protocoles de mesure permettant de garantir une bonne connaissance du comportement électrique ainsi que mécanique des polymères. L'étude des propriétés électriques de nos polymères a révélé plusieurs phénomènes intéressants, comme l'augmentation de la permittivité lorsque des nanoparticules sont ajoutées en raison du phénomène de polarisation interfaciale basse fréquence et de polarisation d'orientation pour la bande de fréquence (10�� à 105� �) .
En ce qui concerne les propriétés mécaniques, nous avons proposé un modèle permettant de comprendre le phénomène de non-linéarité contrainte-déformation observée. Ce phénomène se traduit par l'existence de pertes mécaniques dans les polymères et leur dépendance à la fréquence mécanique ainsi que l'amplitude du déplacement imposé afin d'optimiser cette énergie dissipée pour une meilleure performance de ces polymères en mode entraînement et générateur. Toutes ces caractéristiques indiquent une augmentation de l’activité électromécanique de nos polymères.
Zhang, High electrostrictive strain under high mechanical stress in electron-irradiated poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) copolymer, Appl. Hammond, Effect of degree of ordering of soft and hard segments on the morphology and mechanical behavior of segmented semi-crystalline polyurethanes, Polymer, vol. Cooper, Properties of polyether-polyurethane block copolymers: effects of hard segment length distribution, Macromolecules, vol.
Gonon, Anisotropy of the dielectric properties of laminated epoxy insulation subjected to water absorption, 2004 Annual Report on Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), October Colorado, USA. Prisacariu, Optimizing performance of polyurethane elastomer products via control of chemical structure, Proceeding of the World Congress on Engineering 2009, vol. Giant electrostriction and relaxor ferroelectric behavior in electron-irradiated poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) copolymer.» Science, Vol.
ETUDE DES PROPRIETES ELECTROMECANIQUES DES POLYMERES
L ES MECANISMES D ' ACTIONNEMENT ELECTROMECANIQUES DES EAP S
- Phénomène d’Electrostriction
- Effet de la contrainte de Maxwell
L A SYMETRIE CRISTALLINE ET LE COEFFICIENT ELECTROSTICTIF
CARACTERISATION ELECTROMECANIQUE DES POLYMERES ELECTROSTRICTIFS
- L E PRINCIPE EXPERIMENTAL
- R ESULTATS EXPERIMENTAUX ET DISCUSSIONS
- Effet de la fréquence sur la déformation électromécanique
- Effet de l’épaisseur sur la déformation électromécanique
- Effet des nanoparticules sur la déformation électromécanique
- Effet de la précontrainte sur la déformation électromécanique
MODELISATION DU COMPORTEMENT ELECTROMECANIQUE DES POLYMERES
- M ODELISATION DE LA POLARISATION
- R ELATION ENTRE LA DEFORMATION ET LA POLARISATION
CONTROLE ADAPTATIF DE LA RAIDEUR MECANIQUE PAR LES POLYMERES
- M ODELE THEORIQUE
- Effet de la pré-force sur le changement de la raideur
- Effet de l’excitation électrique sur le changement de la raideur
- P ROTOCOLE DE MESURE
- R ESULTATS ET DISCUSSION
- Variation de la force de pré-étirage � �
- Variation du champ électrique � ��
- Variation de l’amplitude du champ électrique � ���
CONCLUSION
La figure IV.4 montre l'emplacement d'une charge purement résistive pour les mesures de récupération d'énergie [Lal2010]. Les résultats expérimentaux montrent une bonne corrélation avec ceux du modèle théorique d'évaluation de la puissance récupérée. Cot2011b], montrent l'effet de la fréquence de chargement sur le courant généré par le polymère dans le but d'augmenter la puissance récupérée.
Le courant induit par la vibration de la configuration est donné par la relation suivante. Nous avons également effectué une comparaison de la puissance récupérée pour les deux structures. Dans cette partie, nous avons proposé une nouvelle configuration dans le but d'améliorer les capacités de conversion électromécanique de polymères électrostrictifs.
Dans ce chapitre, nous avons proposé deux nouvelles techniques visant à améliorer les performances de la conversion électromécanique de polymères électrostrictifs pour la récupération d'énergie vibratoire. Une comparaison entre la configuration proposée et la configuration classique a été réalisée dans le but de démontrer l'efficacité de la première pour la récupération d'énergie vibratoire. Les résultats obtenus démontrent clairement l'excellent potentiel de cette configuration dans la conversion électromécanique à partir de polymères électrostrictifs pour la récupération d'énergie vibratoire.
Ensuite, une amélioration de l'efficacité de la conversion électromécanique basée sur une structure hybride est obtenue. Par conséquent, les performances de conversion électromécanique de polymères électrostrictifs peuvent être obtenues à partir du champ électrique/déformation de surface. La figure V.19 montre la variation de la puissance récupérée en fonction de la charge électrique pour un champ électrique statique de 0,4 �/µ� et une déformation de 3% à 15.
Le tableau V.8 résume les valeurs calculées de puissance de polarisation, de puissance récupérée et d'efficacité de conversion. Quant à la deuxième partie, une structure hybride à base de polyuréthane chargé (PU 1%�) et de polypropylène cellulaire (PP) a été proposée pour améliorer l'efficacité de la conversion électromécanique de polymères électrostrictifs pour la récupération d'énergie.
AMELIORATION DE LA RECUPERATION D’ENERGIE PAR DES
LA MAXIMISATION DE LA PUISSANCE RECUPEREE PAR UNE NOUVELLE TECHNIQUE.
- M ODELE ANALYTIQUE
- P ROTOCOLE DE MESURE ET MATERIELS
- Matériau polymère et préparation
- Principe de mesure de la puissance récupérée
- R ESULTATS ET DISCUSSIONS
- C ONCLUSION
UN PROTOTYPE D'ADAPTATION POUR MAXIMISER LA PUISSANCE RECUPEREE
- P RINCIPE
- Modélisation du courant de court-circuit récupéré
- Modélisation de la puissance récupérée
- D ESCRIPTION DE SETUP EXPERIMENTAL
- R ESULTATS EXPERIMENTAUX ET DISCUSSIONS
ETUDE DE L’EFFICACITE DES POLYMERES ELECTROSTRICTIFS POUR
ETUDE DE L’EFFICACITE DES POLYMERES ELECTROSTRICTIFS PAR FFT
- M ODELISATION ET ANALYSE DES CAPACITES
- R ESULTATS EXPERIMENTAUX ET DISCUSSION
- Effet de la fréquence mécanique � �
- Effet de l’amplitude de la déformation mécanique � 0
AMELIORATION DE L'EFFICACITE DES POLYMERES ELECTROSTICTIFS PAR
- G ENERALITES SUR LES ELECTRETS
- Définition et historique
- Les différents types d’électrets
- P ROCEDURE EXPERIMENTALE
- Setup de préparation de la structure
- Description de la méthode de décharge par effet Corona
- Evaluation des propriétés diélectriques des films polymères
- R ESULTATS EXPERIMENTAUX
PERSPECTIVES DE RECHERCHE
Les travaux futurs consisteront à améliorer et optimiser les performances de nos polymères pour la propulsion et la récupération d'énergie. Dans un premier temps, les travaux à venir consisteront à créer de nouveaux prototypes mécaniques permettant d'améliorer la force mécanique exercée sur le film polymère pour augmenter la conversion électromécanique, tout comme ils peuvent travailler à des fréquences plus élevées. Compte tenu des défis énergétiques actuels, les systèmes hybrides offrent un avantage intéressant pour une meilleure gestion de l’énergie, notamment lorsque des sources d’énergie renouvelables sont utilisées.
Ces systèmes permettent une diversification des ressources. thermique, magnétique,.) afin de bénéficier de chacun d'eux en tenant compte de leurs caractéristiques propres et qui permet d'obtenir plus d'énergie. Par conséquent, parvenir à un meilleur bilan énergétique nécessitera la création de nouvelles configurations alimentées par de multiples sources d’énergie. D'autre part, compte tenu du caractère émergent des polymères électroactifs, la recherche de nouveaux types de matrices et de nanoparticules à inclure sera envisagée compte tenu de leur compatibilité afin d'améliorer les propriétés de conversion électromécanique de nos matériaux.
Par ailleurs, le problème des électrodes reste un point crucial dans le développement de structures à grandes déformations et la production d'électrodes conformes sera une solution permettant de prouver clairement le potentiel des matériaux.
