Solvent Evaporation-Assisted Three-Dimensional Printing of Piezoelectric Sensors from Polyvinylidene Fluoride and its Nanocomposites

Les matériaux piézoélectriques sont connus pour générer des charges électriques lors de leur déformation. Leur capacité à transformer linéairement l'énergie mécanique en énergie électrique, et vice versa, est utilisée dans la détection, l'actionnement, la récupération et le stockage d'énergie. Ces appareils trouvent des applications dans les domaines de l'aérospatiale, de la biomédecine, des systèmes micro-électromécaniques, de la robotique et des sports, pour n'en nommer que quelques-uns. On retrouve la propriété de piézoélectricité dans certaines céramiques, roches, monocristaux et quelques polymères. Le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) est un polymère piézoélectrique qui présente un coefficient piézoélectrique très élevé par rapport aux céramiques, ce qui laisse présager des applications de détection et de récupération d'énergie. La facilité de fabrication, la flexibilité et la biocompatibilité du PVDF sont autant de qualité qui en font un très bon candidat pour ces applications. Les dispositifs actuels à base de PVDF commercial sont disponibles en films plats ou en fibres unidimensionnelles (1D). L'impression tridimensionnelle (3D) du PVDF peut amener à des sensibilités, souplesses et capacités de fabrication accrues des capteurs embarqués en cas d'impression multi-matériaux. Le PVDF est un polymère semi-cristallin possédant cinq polymorphes, dont la phase β polaire qui présente les meilleures propriétés piézoélectriques. Malheureusement, le PVDF, provenant de la fusion ou de la dissolution, cristallise en une phase α non polaire thermodynamiquement stable. Diverses transformations physiques telles que le recuit, l'addition de charge, l'étirement ou le polissage sont effectuées pour transformer la phase α en phase β. En raison de la cristallisation inhérente du PVDF dans la phase α, il y a eu très peu de tentatives de fabrication de structures 3D à partir du PVDF. L'électrofilage en champ proche et la Déposition de Filament Fondu ont permis de fabriquer certaines structures 3D couche par couche avec du PVDF, soit avec l'application de hautes tensions électriques, soit avec la fusion à haute température du polymère. Et les deux nécessitent un traitement de polarisation pour conférer la piézoélectricité aux structures imprimés. Pour fabriquer des capteurs incorporés ou conformes, sur des substrats donnés, il est essentiel de ne pas avoir d'effets négatifs sur les matériaux adjacents à cause de la polarisation pendant le processus d'impression. Ainsi, dans ce travail, nous avons développé un procédé d'impression 3D qui crée des structures PVDF principalement en phase β, à température ambiante et sans application de tension de polarisation.