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Impression 3D de capteurs piézoélectriques et intégration aux polymères renforcés

Alban Morali

Master's thesis (2023)

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Abstract

Piezoelectric materials have the remarkable property of generating electrical signals when subjected to mechanical deformation. For these materials, the initial step towards piezoelectric behavior involves the application of an electric field, which aligns the atoms of the molecular chains in a coherent direction. Significantly, in the case of the polymer Polyvinylidene fluoride (PVDF), the alignment of its molecular chain is intimately linked to the beta (β) polymorph, which is responsible for its piezoelectric properties. However, following the 3D printing of the PVDF film, we observed that only the gamma phase was present (which is electroactive but not as piezoelectric as β phase), lacking the desired piezoelectric characteristics. Therefore, the initial part of this study centers on inducing a phase transition from gamma (γ) to β, with the objective of enhancing the piezoelectric behavior of the films. Through our investigations, we have successfully achieved a remarkable increase of up to 40% in the content of the beta phase through poling, thereby significantly enhancing the piezoelectric response of the PVDF films. Based on the results obtained, I was able to obtain a piezoelectric film and then go on to manufacture the sensor itself. I then concentrated on printing the complete sensor, i.e. the electrode and insulation layer. This work therefore presents a method for manufacturing the entire piezoelectric sensor using additive manufacturing. At the same time, the of carbon fiber-reinforced composites are known for their superior mechanical properties and reduced weight compared with traditional materials such as steel. Integrating the sensor directly into the composite material during its manufacturing process offers advantages such as increased sensitivity and better environmental protection. However, integrating the sensor into composite materials, particularly for high-temperature and high-pressure treated composites such as prepregs, presents difficulties in safeguarding the sensor or the structural integrity of the composite. This is why the second part of my work focusses on studying the integration of the PVDF-BTO (barium titanate) piezoelectric sensors into Carbon-fiber reinforced polymer prepreg materials. The aim is to demonstrate the sensor's ability to detect mechanical stresses such as compression, bending and tension, thereby demonstrating the feasibility of integrating sensors into prepreg materials. I also study the different forms and sizes of the sensors, to leverage the advantages of 3D printing techniques. This research provides valuable insights into how to successfully integrate a sensor without compromising its functionality. The sensor developed has advantages over sensors currently in use. Firstly, it uses piezoelectricity, which means it does not require power to operate, making it the device of choice for integration into systems where access for maintenance or battery replacement may be difficult or undesirable. Secondly, unlike other piezoelectric sensors, this one can be completely printed, allowing great flexibility in design to optimize the signal we want to detect, making it a more reliable and efficient choice for various applications in different industries. In conclusion, this work provides a basis for the manufacture of an entity that combines the capacities of perception, decision and action to improve or maintain its performance in the face of changing conditions or situations: an intelligent structure.

Résumé

Les matériaux piézoélectriques ont la propriété remarquable de générer des signaux électriques lorsqu'ils sont soumis à une déformation mécanique. Pour ces matériaux, l'étape initiale vers le comportement piézoélectrique implique l'application d'un champ électrique, qui aligne les atomes des chaînes moléculaires dans une direction cohérente. De manière significative, dans le cas du polymère Polyfluorure de vinylidène (PVDF), l'alignement de sa chaîne moléculaire est intimement lié à la phase bêta (β), qui est responsable de ses propriétés piézoélectriques. Cependant, après l'impression 3D du film PVDF, nous avons observé que seule la phase gamma était présente (qui est électroactive, mais pas autant piézoélectrique que la phase β), sans les caractéristiques piézoélectriques souhaitées. Par conséquent, la première partie de cette étude est centrée sur l'induction d'une transition de phase de la phase gamma (γ) à la phase β, dans le but d'améliorer le comportement piézoélectrique des films. Grâce à nos recherches, nous avons réussi à obtenir une augmentation remarquable de 40 % de la teneur en phase bêta par polarisation (application d'un champ électrique), ce qui a permis d'améliorer considérablement la réponse piézoélectrique des films PVDF. Sur la base des résultats obtenus, j'ai pu obtenir un film piézoélectrique et passer ensuite à la fabrication du capteur en lui-même. Je me suis ensuite concentré sur l'impression du capteur complet, c'est-à-dire l'électrode et la couche d'isolation. Ce travail présente donc une méthode de fabrication du capteur piézoélectrique complet par fabrication additive. Parallèlement, les composites renforcés de fibres de carbone sont connus pour leurs propriétés mécaniques supérieures et leur poids réduit par rapport aux matériaux traditionnels tels que l'acier. L'intégration du capteur directement dans le matériau composite au cours de son processus de fabrication offre des avantages tels qu'une sensibilité accrue et une meilleure protection à l'environnement extérieur. Cependant, l'intégration du capteur dans les matériaux composites, en particulier pour les composites traités à haute température et à haute pression tels que les pré-imprégnés, présente des difficultés pour préserver le capteur intact ou l'intégrité structurelle du composite. C'est pourquoi la deuxième partie de mon travail se concentre sur l'étude de l'intégration des capteurs piézoélectriques PVDF-BTO (titanate de baryum) dans les matériaux préimprégnés à base de polymères renforcés de fibres de carbone. L'objectif est de démontrer la capacité du capteur à détecter les contraintes mécaniques telles que la compression, la flexion et la tension, démontrant ainsi la faisabilité de l'intégration de capteurs dans les matériaux pré-imprégnés. J'étudie également les différentes formes et tailles des capteurs, afin d'exploiter les avantages des techniques d'impression 3D. Cette recherche fournit des indications précieuses sur la manière d'intégrer avec succès un capteur sans compromettre sa fonctionnalité. Le capteur développé présente des avantages par rapport aux capteurs actuellement utilisés. Premièrement, il utilise la piézoélectricité, ce qui signifie qu'il n'a pas besoin d'énergie pour fonctionner, ce qui en fait un dispositif de choix pour l'intégration dans des systèmes où l'accès pour la maintenance ou le remplacement de la batterie peut être difficile ou indésirable. Deuxièmement, contrairement à d'autres capteurs piézoélectriques, celui-ci peut être entièrement imprimé, ce qui permet une grande souplesse de conception pour optimiser le signal que l'on souhaite détecter, ce qui en fait un choix plus fiable et plus efficace pour diverses applications dans différents secteurs. En conclusion ce travail constitue une base vers la fabrication d’une entité qui combine les capacités de perception, de décision et d'action pour améliorer ou maintenir ses performances face à des conditions ou des situations changeantes : une structure intelligente. Parallèlement, les composites renforcés de fibres de carbone sont connus pour leurs propriétés mécaniques supérieures et leur poids réduit par rapport aux matériaux traditionnels tels que l'acier. L'intégration du capteur directement dans le matériau composite au cours de son processus de fabrication offre des avantages tels qu'une sensibilité accrue et une meilleure protection à l'environnement extérieur. Cependant, l'intégration du capteur dans les matériaux composites, en particulier pour les composites traités à haute température et à haute pression tels que les pré-imprégnés, présente des difficultés pour préserver le capteur intact ou l'intégrité structurelle du composite. C'est pourquoi la deuxième partie de mon travail se concentre sur l'étude de l'intégration des capteurs piézoélectriques PVDF-BTO (titanate de baryum) dans les matériaux préimprégnés à base de polymères renforcés de fibres de carbone. L'objectif est de démontrer la capacité du capteur à détecter les contraintes mécaniques telles que la compression, la flexion et la tension, démontrant ainsi la faisabilité de l'intégration de capteurs dans les matériaux pré-imprégnés. J'étudie également les différentes formes et tailles des capteurs, afin d'exploiter les avantages des techniques d'impression 3D. Cette recherche fournit des indications précieuses sur la manière d'intégrer avec succès un capteur sans compromettre sa fonctionnalité. Le capteur développé présente des avantages par rapport aux capteurs actuellement utilisés. Premièrement, il utilise la piézoélectricité, ce qui signifie qu'il n'a pas besoin d'énergie pour fonctionner, ce qui en fait un dispositif de choix pour l'intégration dans des systèmes où l'accès pour la maintenance ou le remplacement de la batterie peut être difficile ou indésirable. Deuxièmement, contrairement à d'autres capteurs piézoélectriques, celui-ci peut être entièrement imprimé, ce qui permet une grande souplesse de conception pour optimiser le signal que l'on souhaite détecter, ce qui en fait un choix plus fiable et plus efficace pour diverses applications dans différents secteurs. En conclusion ce travail constitue une base vers la fabrication d’une entité qui combine les capacités de perception, de décision et d'action pour améliorer ou maintenir ses performances face à des conditions ou des situations changeantes : une structure intelligente.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Sampada Bodkhe and Maksim A. Skorobogatiy
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/55105/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 04 Mar 2024 13:27
Last Modified: 06 Apr 2024 20:13
Cite in APA 7: Morali, A. (2023). Impression 3D de capteurs piézoélectriques et intégration aux polymères renforcés [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/55105/

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