Soutenance mémoire
GENERALITES SUR LES POLYMERES ELECTROACTIFS
D’une manière générale, dans la famille des polymères électro-actifs, nous pouvons distinguer plusieurs types d’actionnement : électrostatique, électromagnétique, piézoélectriques, thermoélectriques… La limitation de ces technologies dépend des paramètres suivant : la déformation de l’actionneur, la pression d’actionnement, la rapidité de la réponse, le rendement énergétique… Généralement l’électro-activité dans un matériau est définie par une réponse réversible d’une ou plusieurs propriétés physico-chimiques. Nous pouvons diviser ces matériaux en trois types :
●les polymères électro-actifs «PEA» (Electro Active Polymer «EAP») [1] [2],
●les alliages à mémoires de forme «AMF» (Shape Memory Alloy or Smart Memory Alloy «SMA») [3],
●les céramiques électro-actives «CEA» (Electro Active Ceramic «EAC») [4].
LES ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME (AMF)
Les alliages à mémoire de forme (AMF) désignent une classe de matériaux qui, après déformation permanente à basse température, retrouvent leur forme initiale non déformée (mémorisée) par chauffage. Cette propriété est désignée comme « l’effet mémoire de forme ». C’est lors du retour à sa forme initiale, par chauffage, que l’AMF est capable de générer un travail mécanique et donc d’entraîner une charge. C’est cet effet thermomécanique que l’on exploite lorsqu’on utilise un AMF en tant qu’actionneur. La propriété de mémoire de forme est due à une transformation de phase dans le matériau. Cette transformation entre deux phases solides, appelée « transformation martensitique », a lieu entre une phase haute température, appelée phase mère ou austénite, et une phase basse température, appelée phase produite ou martensite. Une telle transformation peut être induite par une simple variation de température ou par l’application d’une contrainte mécanique dans une plage de température adéquate. La phase austénitique correspond à la forme mémorisée de l’AMF. Pour utiliser ce type d’actionnement, il est nécessaire de lui adjoindre un élément mécanique de rappel ou que le matériau à mémoire de forme soit éduqué (effort mémoire double sens). En effet, pour qu’un élément AMF puisse reprendre sa forme initiale par chauffage, il faut qu’il ait subi une déformation mécanique préalable. Un AMF peut atteindre des contractions importantes en longueur (de l’ordre de 10%) lorsqu’il est chauffé et retournera ensuite à sa longueur initiale lors d’un nouveau refroidissement. Le temps de la contraction est souvent régi par la vitesse de chauffage et parallèlement par la conductivité thermique dans l’AMF. Concernant l’utilisation des alliages à mémoire de forme comme actionneur, il existe un certain nombre de problèmes qui entravent leur utilisation. Le problème récurrent est le temps de refroidissement car celui-ci régit le retour à la forme initiale, limitant ainsi les temps de cycle d’expansion-contraction. L’effet mémoire de forme de ces matériaux peut se dégrader de façon significative après quelques centaines ou après quelques millions de cycles en fonction du degré de déformation. Cependant, on peut citer l’AMF à base NiTi en exemple [1] [3]. Son application dans le domaine de l’ostéosynthèse est à l’étude et semble prometteuse. Conçu à partir de plaques NiTi avec des formes osseuses, celles-ci sont bien refroidis en dessous de leur température de transformation. Une fois en place dans le corps, la plaque se chauffe à la température corporelle. Ainsi une force mécanique est générée par le NiTi sur l’os fracturé, ce qui accélère le processus de guérison.
LES CERAMIQUES ELECTROACTIVES
L’effet piézoélectrique a été découvert par Jacques et Pierre Curie en 1880. A cette époque, ils ont constaté que si certains cristaux étaient soumis à une contrainte mécanique, ils devenaient électriquement polarisés et le degré de polarisation était proportionnel à la contrainte appliquée. Cette propriété est liée à l’alignement des atomes dans un réseau cristallin, qui se traduit par une polarisation nette, et qui relie par conséquent le champ électrique et la pression exercée sur la matière. L’effet piézoélectrique est présent dans un certain nombre de cristaux naturels, par exemple le quartz. Pierre et Marie Curie ont également mis en évidence l’effet inverse, à savoir que ces mêmes matériaux se déformaient quand ils sont soumis à un champ électrique. En outre, ces matériaux sont alors utilisables comme actionneur : une différence de potentiel appliquée sur les faces d’un cristal génère une déformation du matériau dans une certaine direction. Nous noterons que les actionneurs utilisant les céramiques piézoélectriques présentent de petites déformations mais développent une grande force. Ils sont donc adaptés aux petits déplacements et présentent l’avantage d’être commandés à haute fréquence [4]. Ils sont couramment utilisés comme actionneur pour le déplacement de tête d’AFM (Atomic Force Microscope).
LES POLYMERES ELECTROACTIFS
Les polymères électroactifs ou plus communément « EAP », sont potentiellement intéressants pour de nombreuses applications. Ces polymères répondent à une stimulation électrique par un changement de taille ou un changement de forme significatif. [1, 2, 5-9]. Les EAP ont attiré beaucoup l’attention des ingénieurs et des scientifiques dans diverses disciplines. Même si Les applications des EAP sont encore à un stade embryonnaire, plusieurs recherches ont été entamées [2] au milieu des années 90 sur ces polymères stimulés électriquement, en particulier dans le domaine de la bionique : un domaine d’étude où les mécanismes robotisés sont basés sur des modèles d’inspiration biologique. En effet, plusieurs groupes de recherche ont misé sur ce type de technologie se fondant sur la capacité de ces matériaux à imiter le muscle naturel. De nombreux projets de recherches ont été amorcés pour réaliser des insectes robotisés, des éléments de pilotage de cathéter, des bras robotisés miniature… Cependant, peu d’efforts ont été faits pour tenter une miniaturisation de ces dispositifs.
LES EAPS IONIQUES
LES GELS IONIQUES
L’application d’une différence de potentiel à un gel ionique tel que le gel d’acide acrylique par exemple cause le mouvement des ions hydrogène à l’intérieur ou hors du gel. Ceci modifie l’environnement et induit une transition de l’état acide à l’état alcalin se traduisant par une modification de la densité. Le matériau peut alors passer d’un état dense à un état enflé [10]. La température, le pH et la nature du solvant environnant sont autant de leviers qui permettent de passer d’un matériau plastique dur à un matériau mou et flexible. De tels matériaux, dont le comportement s’apparente à celui des cartilages dans les articulations, paraissent bien adaptés pour la réalisation, par exemple, de prothèses, mais leur faible résistance mécanique interdit de telles applications. Sur la figure 1.1, on peut voir la flexion d’un gel d’acide polyacrylamide. La flexion est provoquée grâce à une différence des taux de diffusion d’ions dans le gel et dans l’électrolyte. Bien que l’exigence de tension pour l’actionnement de gels ioniques soit faible, la diffusion des ions qui est à l’origine de l’actionnement conduit à des réponses lentes pour cette catégorie de matériaux. Des gels ioniques ont été utilisés pour construire des pinces à mâchoires parallèles et des sphincters artificiels urétéraux. Cependant pour la plupart, ils sont au stade de prototype sans un réel développement applicatif.
LES COMPOSITES POLYMERES-METAL IONIQUES (IPMC)
Les composites polymère-métal ionique (Ionic Polymer Metal Composites : IPMC) sont une des variétés d’EAP [11] [12], et sont utilisés essentiellement pour des déplacements en fléchissements à des faibles valeurs en tension. Ces systèmes sont réalisés à partir de membranes organiques conductrices d’ions telles que le Nafion et le Flemion sur lesquelles sont déposées des électrodes . La matrice polymère présente des canaux internes permettant le mouvement des cations (ions positifs) et des anions (ions négatifs), dans un réseau fixe polymérique. L’application d’un champ électrique entre les électrodes entraîne un déplacement d’ions à l’intérieur du matériau qui, au final, change la répartition du solvant près de chacune des électrodes. Les cations migrent vers la cathode (électrode négative) alors que les anions qui sont immobiles dans le polymère, subissent une force attractive de l’anode (électrode positive). Au même instant, les molécules d’eau diffusent vers les régions de grande concentration d’ions positifs, soit près de la cathode, pour équilibrer la distribution de charge. En conséquence, la région proche de la cathode augmente de volume alors que celle proche de l’anode diminue de volume. L’ensemble de ces phénomènes entraîne une flexion de l’échantillon d’IPMC vers l’anode.
Ce mécanisme ne peut pas produire un mouvement rectiligne mais autorise uniquement un mouvement de type flexion. Les angles de flexion sont potentiellement importants (> 360°) pour des tensions d’alimentation relativement faibles (~5 V). Profitant d’une rigidité assez bonne pour ce type de matériau (module d’Young de 0,1 à 0,2 GPa), ils peuvent fournir des pressions de l’ordre de 0,1 MPa. Un des inconvénients réside dans le fait que les IPMCs nécessitent de l’eau pour un fonctionnement optimal. Un système fonctionnant dans l’air ambiant devra être humidifié régulièrement et ce, toutes les 3 à 5 minutes pour compenser les pertes d’eau dans les électrodes ainsi que par évaporation. Enfin, la vitesse de flexion n’est pas linéaire. Si la vitesse initiale est rapide (<0,1 s), elle ralentit ensuite, pour atteindre des angles de flexion élevés. Le temps devient alors nettement plus long.
Une étape importante démontrant la potentialité applicative des EAP a été franchie en 2003 avec l’émergence du premier produit commercial. Ce produit est un poisson-robot qui est mu par un actionneur utilisant un polymère électro-actif de type IPMC. L’énergie pour l’actionnement est transmise au poisson-robot par l’intermédiaire de bobines d’induction électromagnétique dans le haut et le bas de l’aquarium, induisant un courant dans un solénoïde situé à l’intérieur du poisson. Le poisson-robot et l’aquarium ont été développés conjointement par les sociétés Ikeda-Eamex Corporation et Daiichi Kogei, au Japon.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. GENERALITES SUR LES POLYMERES ELECTROACTIFS
1. LES ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME (AMF)
2. LES CERAMIQUES ELECTROACTIVES
3. LES POLYMERES ELECTROACTIFS
4. LES DIFFERENTS EAPS
4.1. LES EAPS IONIQUES
4.1.1. LES GELS IONIQUES
4.1.2. LES COMPOSITES POLYMERES-METAL IONIQUES (IPMC)
4.1.3. LES POLYMERES CONDUCTEURS IONIQUES
4.2. LES EAPS ELECTRONIQUES
4.2.1. LES POLYMERES FERROELECTRIQUES
4.2.2. LES POLYMERES A BASE DE FEUILLES DE MATERIAUX ELECROSTRICTIFS
4.2.3. LES POLYMERES A BASE DE CRISTAUX LIQUIDES
4.2.4. LES FLUIDES ELECTRORHEOLOGIQUES
4.2.5. LES EAPS DIELECTRIQUES
5. MARCHE DES EAPS
6. COMPARAISON ENTRE LES DIFFERENTS EAPS ET CHOIX DE LA TECHNOLOGIE
7. CONCLUSION
8. REFERENCES
CHAPITRE 2. INTEGRATION D’UN ELASTOMERE POUR REALISER UN MICRO-ACTIONNEUR
1. LES ELASTOMERES
1.1. LA FAMILLE DES ACRYLATES
1.2. LA FAMILLE DES SILICONES
1.2.1. STRUCTURE CHIMIQUE
1.2.2. PROCEDE DE RETICULATION
2. PROCEDE D’INTEGRATION
2.1. FORMULATION DU PDMS
2.2. LES ETAPES DE LA MISE EN ŒUVRE (HORS DEVELOPPEMENT)
2.2.1. LE DEPOT
2.2.2. L’INSOLATION
2.2.3. LE RECUIT
2.3. LE DEVELOPPEMENT
2.3.1. RESULTATS OBTENUS AVEC LE TOLUENE COMME REVELATEUR
2.3.2. RESULTATS OBTENUS EN DEVELOPPANT AVEC DU THF
2.4. DEVELOPPEMENT D’UN PROCEDE ALTERNATIF BICOUCHE
2.5. CHOIX DE L’ELECTRODE
2.5.1. COMPOSITES CONDUCTEURS
2.5.2. ELECTRODES METALLIQUES EN OR (AU)
2.5.3. ELECTRODES POLYMERES
2.6. AMELIORATION DE PROPRIETES DIELECTRIQUES
3. CONCLUSION
4. REFERENCES
CHAPITRE 3. CARACTERISATION STRUCTURALE ET DIELECTRIQUE DE L’ELASTOMERE INTEGRE
1. MESURES DES MASSES CARACTERISTIQUES DES PRE-POLYMERES DU PDMS SILGEL 612 LES ELASTOMERES
1.1. DEFINITION DES MASSES CARACTERISTIQUE DES POLYMERES
1.2. CHROMATOGRAPHIE A EXCLUSION STERIQUE
2. ANALYSE DU PDMS (SILGEL 612) PAR SPECTROMETRIE DE RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE. (RMN)
2.1. PRINCIPE DE LA MESURE
2.2. ANALYSE DES SPECTRES RMN
2.2.1. LE PRRPOLYMERE A (SILGEL 612 A)
2.2.2. LE PRRPOLYMERE B (SILGEL 612 B)
2.2.3. LE SILGEL 612 RETICULE (1:1)
2.2.4. LE SILGEL 612 RETICULE (1:1) AVEC TIO3BA
3. ANALYSE THERMIQUE PAR DSC
3.1. PRINCIPE DE LA MESURE
3.2. ANALYSE THERMIQUE DU SILGEL 612 SELON LA FORMULATION
4. CARACTERISATION MECANIQUE
5. CARACTERISATION DIELECTRIQUE
5.1. EFFETS DE LA BENZOPHENONE
5.2. EFFETS DES NANOPARTICULES CERAMIQUES
6. CONCLUSION
7. REFERENCES
CHAPITRE 4. MODELISATION PAR ELEMENTS FINIS ET CARACTERISATION DU MICRO-ACTIONNEUR DIELECTRIQUE
1. LES FORCES ELECTROSTATIQUES
2. LE MODELE MECANIQUE SUIVANT LA LOI DE HOOKE AVEC COUPLAGE A L’ELECTROSTATIQUE
3. LES MODELES MECANIQUES PAR LA THEORIE STATISTIQUE
3.1. APPROCHE STATSISTIQUE
3.2. APPROCHE PHENOMENOLOGIQUE
4. OUTILS DE MODELISATION ET COEFFICIENTS DU MATERIAU
4.1. PRINCIPE DE LA FEM
4.2. LES ELEMENTS DE MAILLAGE
4.3. OUTILS DE CALCULS
4.4. STRUCTURES ET COEFFICIENT DES MODELES
5. MODELISATION A PARTIR DES MODELES HYPERELASTIQUES
5.1. COMPARAISON DES MODELES ET ANALYSE DES RAPPORTS DE FORMES
5.2. CAS DES ELECTRODES SOUPLES
6. RESULTATS EXPERIMENTAUX
6.1. DESCRIPTION DES STRUCTURES DE TEST
6.2. MESURE DE DEFORMATIONS
6.2.1. MICRO-ACTIONNEUR A BASE DE SILGEL 612
6.2.2. MICRO-ACTIONNEUR A BASE DE SILGEL 612 AVEC DU TIO3BA
7. FUTURS TRAVAUX : INTEGRATION DANS UN SYSTEME OPTIQUE
8. CONCLUSION
9. REFERENCES
CONCLUSIONS
