Impression 3D de capteurs piézoélectriques et intégration aux polymères renforcés

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.