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PiezoGénérateurs flexibles nouvelle génération

 

Sujet de thèse : PiezoGénérateurs flexibles nouvelle génération

Le vent, les courants marins, le cours d’une rivière… ces écoulements présents aux quatre coins de la planète constituent de formidables réservoirs d’énergie cinétique, associée au mouvement de l’air ou de l’eau. L’exploitation de cette ressource pour la production d’électricité a motivé le développement au cours des siècles passés de nombreuses technologies comme les éoliennes. Afin de compléter les opportunités technologiques offertes par les éoliennes actuelles, en particulier pour les applications aux petites échelles, de nouvelles solutions restent à trouver et à développer pour l’alimentation de micro-réseaux ou de systèmes électriques isolés.

Au sein du centre de recherche de l’Ecole Polytechnique, les chercheurs du Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), de l’IMSIA (ENSTA) et du Laboratoire d’Hydrodynamique de l’X (LadHyX) propose de travailler au développement de tels systèmes de production électriques innovants.

Les matériaux piézoélectriques : de nouveaux générateurs
Une piste d’optimisation réside dans le système de conversion lui-même. En effet, si les générateurs électromagnétiques « classiques » présentent des performances optimales pour des puissances importantes, l’utilisation de matériaux électro-actifs peut s’avérer performante et adaptée aux plus petites échelles. Les matériaux piézoélectriques en sont un exemple. Du fait de leur structure électronique interne, ces matériaux sont polarisables et permettent un couplage électromécanique entre une structure déformable et un circuit électrique. Spécifiquement, la déformation de ces matériaux polarisés entraîne un changement  de l’orientation de la polarisation qui induit un déplacement de charges électriques dans les électrodes au contact de leur surface. Ils agissent ainsi comme des générateurs de courant alternatif (déformation réversible et soumise à cyclage). A l’inverse, une tension électrique appliquée par le circuit aval introduit une contrainte mécanique qui peut modifier le comportement de la structure dont ils sont solidaires. Ces couplages sont connus et exploités depuis longtemps notamment dans le domaine du contrôle, pour actionner le déplacement ou la déformation d’une structure en réponse à un signal électrique. La nanostructuration et/ou l’hybridation de matériaux piézoélectriques polymères permet aujourd’hui d’augmenter les performances électromécaniques de ces matériaux, jusqu’ici considéré comme peu performants pour la collecte d’énergie. Le rendement de ces polymères et leurs propriétés mécaniques les rendent à présent d’autant plus attractifs pour l’implémentation sur des systèmes récupérateurs en vibration, en particulier par rapport à d’autres matériaux comme les céramiques moins flexibles et plus fragiles.

Les travaux du LSI en la matière ouvrent à ce titre de multiples opportunités. Les chercheurs ont ainsi démontré, dans le cas de polymères piezoélectriques tel que le poly(difluorure de vinylidène) PVDF et dérivés, que l’irradiation aux électrons induisaient des défauts augmentant la réponse piezoélectrique des matériaux. Le LSI a récemment montré que non seulement les irradiations aux électrons mais également les irradiations aux ions lourds accélérés, pour une dose inférieure à 100kGy, n’affectaient pas la réponse piezo-électrique du PVDF.   Il est donc possible d’améliorer la densité de puissance en sortie par irradiation.
Cependant, même en pariant sur l’accroissement de la réponse piezoélectrique du PVDF à l’aide des défauts induits par irradiation aux électrons, l’inconvénient majeur de ce matériau est sa faible permittivité. Par conséquent, des éléments électroactifs de petite taille (dans un contexte de miniaturisation de dispositifs embarqués) auront des capacités faibles and souffriront d’une perte de signal significative lors de la charge électrique. Pour résoudre ce problème de faible capacité, l’inclusion de nanoobjets métalliques dans le polymère piezoélectrique est la solution abordée par les chercheurs du LSI. En effet, il est déjà connu que la présence d’inclusions métalliques augmente significativement la permittivité diélectrique des polymères. Prenant l’opportunité de la résistance du PVDF aux irradiations, un faisceau d’ions lourds accélérés (GANIL) a été utilisé récemment pour nanostructurer des films de PVDF piezoélectriques dans leur épaisseur en créant des nanopores cylindriques de dimension et densité parfaitement maitrisées (technique dite de « track etching »). Les nanopores ont ensuite été partiellement remplis par des nanofils de Nickel obtenus par réduction électrochimique des sels métalliques. Les résultats obtenus jusqu’ici démontrent une augmentation de la permittivité du composite Ni/PVDF d’un facteur 5 et une amélioration de la réponse piezoélectrique résultante d’un facteur 2.5 par rapport au matériau initial.  

   

 

 Figure 1 : (haut gauche) schéma de la cellule de pression, le film polymère piezoélectrique est fixé sur les bords, une pression d’air est appliquée cycliquement (cellule montée au LSI par D. Lairez) ; (haut droite) réponse électrique enregistrée au LSI d’un film de PVDF piezoélectrique à la déformation induite par pression d’air ; (bas) schéma du film composite de Ni/PVDF nanostructuré par faisceau d’ions accélérés (GANIL) et électrodéposé partiellement par du Ni.

 

D’un point de vue matériau, le couplage des irradiations aux ions lourds accélérés (GANIL) et de l’irradiation aux électrons (SIRIUS) pourrait permettre d’accroître non seulement la permittivité des matériaux composites mais aussi l’élasticité par les défauts structuraux tels que les scissions de chaines polymères induites par irradiation aux électrons.  La flexibilité du matériau est en effet un paramètre critique pour l’efficacité d’un drapeau piézoélectrique, afin de permettre une mise en mouvement spontanée de la structure pour de faibles vitesses d’écoulement.
D’un point de vue mécanique, les travaux menés jusqu’ici se sont concentrés sur l’optimisation des performances de tels systèmes dans des écoulements simples, c’est à dire uniformes et permanents. Si la compréhension du comportement de ces systèmes dans de telles conditions idéalisées est une étape préliminaire indispensable, comprendre l’impact de la variabilité temporelle et spatiale des écoulements géophysiques sur leur efficacité est une seconde étape tout aussi essentielle. En particulier, vents et courants sont par nature turbulents, varient à l’échelle de la journée ou des saisons, et sont profondément hétérogènes spatialement du fait de leur interaction avec le relief. Comprendre la robustesse des performances de ces systèmes vis à vis de ces complexités représente l’un des enjeux majeurs du point de vue de la mécanique des fluides dans les prochaines années.

Dans cette proposition de thèse, l’étude des propriétés élastiques des matériaux obtenus feront l’objet d’une collaboration entre le LSI, l’IMSIA à l’ENSTA et le LadHyX.