Multi-Material Three-Dimensional Printing of Piezoelectric Devices for Sensing and Energy Harvesting Applications

Les matériaux piézoélectriques servent de transducteurs pour convertir linéairement l'énergie mécanique en énergie électrique, et vice versa. Sur la base de cette capacité, une variété de dispositifs piézoélectriques avec la géométrie, la performance et la fonction désirées ont été fabriqués pour des applications de détection, de récolte d'énergie et d'actionnement. Parmi eux, les dispositifs composites piézoélectriques tridimensionnels (3D) flexibles et conformes (particules céramiques hautement piézoélectriques comme charge; polymères flexibles comme matrice) sont très en demande dans de nombreux domaines tels que les peaux artificielles intelligentes, les capteurs et les collecteurs d'énergie portables sans-batterie, et la robotique flexible. Les méthodes conventionnelles de fabrication des dispositifs piézoélectriques, telles que le moulage en solution, l'enduction par centrifugation, l'extrusion par fusion et l'électrospinning, limitent la complexité des structures fabriquées. Ainsi, les techniques d'impression 3D, telles que l'écriture directe à l'encre (DIW), la stéréolithographie (SLA), le traitement numérique de la lumière (DLP) et la fabrication de filaments fondus (FFF) sont de plus en plus utilisées à cette fin. En outre, pour établir la connexion électrique entre les structures piézoélectriques et les interfaces, une étape supplémentaire est généralement nécessaire pour ajouter des électrodes sur les structures piézoélectriques par peinture, pulvérisation et fixation de rubans ou de tissus conducteurs. L'émergence de la technique d'impression 3D multi-matériaux offre un moyen efficace de combiner les processus de fabrication de la structure piézoélectrique et des électrodes. L'objectif de cette thèse est de développer des dispositifs composites piézoélectriques flexibles 3D avec des électrodes pour des applications de détection piézoélectrique et de récolte d'énergie basées sur la technique d'impression 3D multi-matériaux. Tout d'abord, pour trouver le matériau piézoélectrique le plus approprié pour le processus d'impression 3D multi-matériaux, nous avons imprimé des films de polyfluorure de vinylidène (PVDF) à partir du filament de PVDF disponible dans le commerce en utilisant une imprimante 3D FFF. Nous avons constaté que les films PVDF, tels qu'imprimés, ont une faible teneur en phase β électroactive (Fβ) de 39%, il faut donc un processus de post étirement pour augmenter la Fβ. Les films PVDF étirés et polarisés d'une dimension de 40 × 20 × 0,06 mm3 (longueur × largeur × épaisseur) ont un coefficient piézoélectrique (d33) de 7,29 pC/N et un Fβ de 65 % à un rapport d'étirement (R) de 4 après avoir été polarisés sous un champ électrique de 30 V/μm. Bien que le d33 résultant des films de PVDF fabriqués ait été considérablement amélioré de ~ 10-100 fois supérieur aux valeurs rapportées connexes, le processus d'étirement limite les possibilités de réaliser des géométries complexes avec le PVDF. Par la suite, nous avons incorporé des nanoparticules de titanate de zirconate de plomb (PZT) hautement piézoélectriques dans une matrice flexible de polyuréthane thermoplastique (TPU) et extrudé le matériau composite en un filament imprimable par FFF (~1,75 mm). Le matériau composite piézoélectrique, TPU/30vol% PZT, développé présente un allongement à la rupture importante de ~56% et une valeur d33 de 6,8 pC/N après avoir été polarisé par les paramètres de polarisation appropriés. Une technique d'impression 3D multi-matériaux FFF a ensuite été utilisée pour fabriquer des treillis composites piézoélectriques flexibles 3D avec des électrodes à l'aide du filament composite piézoélectrique que nous avons développé et d'un filament composite conducteur (TPU/noir de carbone) disponible dans le commerce. Quatre types de réseaux composites piézoélectriques 3D: cubique simple (SC), cubique centré sur le corps (BCC), cuboctaèdre (CH) et treillis en octuple (OT) (et un solide entièrement dense (FD) comme référence) ont été conçus et fabriqués. Les performances piézoélectriques des treillis ont été comparées au moyen de méthodes expérimentales et d'analyse par éléments finis (FEA). Pour une même force de compression maximale, le réseau OT peut générer une tension de sortie environ deux fois supérieure à celle de l'échantillon FD. À titre de démonstration, une semelle de chaussure composite piézoélectrique OT originale et multi-matériaux peut générer une tension crête à crête élevée (Vpp) de ~20 V par le piétinement humain. De plus, pour fabriquer des structures piézoélectriques flexibles de forme libre ou conforme, nous avons réalisé un processus d'impression 3D DIW multi-matériaux dans un fluide de support. Le fluide de support développé, composé d'huile minérale et de 6% (w/v) de silice pyrogénée, avec une limite d'élasticité appropriée, se comporte comme un fluide de Herschel-Bulkley. Pendant le processus d'impression, le réseau de silice fumée réticulée s'écoule temporairement sous la contrainte générée par le mouvement de l'aiguille de distribution, puis revient rapidement à l'état solide pour retenir l'encre déposée. Les compositions des encres sont les suivantes : polydiméthylsiloxane (PDMS)/30vol% de PZT pour l'encre composite piézoélectrique et PDMS/25vol% d'argent (Ag) pour l'encre composite conductrice. Une caractérisation complète des propriétés des encres (c'est-à-dire les comportements piézoélectrique ou conducteur, les propriétés rhéologiques et mécaniques) et du comportement rhéologique du fluide de support avec les différentes compositions a été réalisée. Trois démonstrateurs : un film plan multicouche, un hémisphère non plan conforme et une structure 3D composée de six spirales imprimées verticalement entre deux couches hexagonales (spirale-hexagone de forme libre) ont été fabriqués et testés respectivement en tension ou en compression. Par exemple, en comprimant cycliquement la structure spirale-hexagone de forme libre à 8 Hz pendant plus de 800 cycles, un Vpp de 86.39 ± 1,145 mV a été obtenu, ce qui montre la bonne durabilité du capteur piézoélectrique spirale-hexagone développé et le potentiel de cette technique à être utilisée pour fabriquer des structures piézoélectriques de forme libre avec des électrodes.