Propriétés physiques et électriques de polymères électroactifs

Physical and electrical properties of electroactive polymers

• Auteur / Autrice : Saber Hammami
• Direction : Alain Sylvestre, Fathi Jomni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 23/05/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université de Carthage (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : David Malec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Taine, Claire Jean-Mistral, Mohamed Ben Salem
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Castellon, Hajer Guermazi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diélectriques

Propriétés électriques

Élastomères

Mots clés libres

Élastomère diélectrique

Générateurs d'énergie souples

Courants de fuite

Propriétés électrique

Haute tension

Énergie renouvelable

Dielectric elastomer

Soft generators

Leakage current

Electrical properties

High voltage

Renewable energy

Résumé

Les élastomères diélectriques sont de plus en plus utilisés pour la réalisation des transducteurs dans de nombreux domaines industriels : interface haptique, robotique, biomimétisme, conversion d’énergie. Pour le fonctionnement de toutes ces applications, le polymère électroactif est soumis à une haute tension (de 1 à 10kV). Toutefois, le courant de fuite diminue l’efficacité et la durée de vie des dispositifs utilisant ces matériaux.Par ailleurs, une précontrainte mécanique (étirement) est généralement appliquée au polymère pour accroître l’efficacité énergétique dans la conversion mécanique-électrique. Les courants de fuite (et donc le champ de claquage du polymère) seront ainsi conditionnés par cette précontrainte et ce point doit faire l’objet d’une étude détaillée.L’objet de ce travail de thèse est de mener des analyses de courant de fuite sur des polymères électroactifs (élastomères polyacrylates du commerce VHB4910 et silicones Sylgard 186) non contraints et contraints mécaniquement pour évaluer l’amélioration ou la dégradation des performances électriques lorsqu’ils seront plus tard intégrés en géométrie électrode-polymère-électrode dans des transducteurs.Tout d’abord, nous avons mené une étude exhaustive sur l’influence des facteurs externes (étirement, température, champ électrique, nature de l’électrode) sur les propriétés électriques du polyacrylate VHB4910. Les études ont été réalisés sur des durées de polarisation courtes (quelques minutes) et longues (jusqu’à 15 heures). Au cours de ce travail, nous sommes également intéressés à l’étude du phénomène d’autocicatrisation sur le sylgard 186. Les tests ont été conduits pour différents types d’électrodes (or, aluminium, graphène, nanoplaquettes de graphène : GnP) déposées sur la surface de silicone. Une analyse par microscopie optique de la zone évaporée a été menée.La finalité de ces travaux aura permis d’optimiser des structures de récupération d’énergie électrostatique à base de polymères électroactifs.

Electroactive polymers known as dielectric elastomers have shown considerable promise for transducers. They are attractive for a wide range of innovative applications including softs robots, adaptive optics, haptic interface or biomedical actuation thanks to their high energy density and good efficiency. For the functioning of all these application, the electroactive polymer is subjected to high electrical field. Nevertheless, the performances of these transducers are affected by the losses and especially the ones induced by the leakage current.Mechanical pre-stretch is an effective method to improve actuation when a voltage is applied to the device made up of a dielectric elastomer sandwiched between two compliant electrodes. The overall performances of the structure (electromechanical conversion, efficiency, strain induced…) depend strongly on the electric and mechanical properties of the elastomer. Regarding electric characteristics, dielectric permittivity, dissipation factor and electric breakdown field have been deeply investigated according to various parameters such as frequency, temperature, pre-stretch, or nature of the electrodes but complete analysis of the leakage current is missing in the scientific literature.Thus, this work reports an extensive investigation on the stability of the current-time characteristics in dielectric elastomer. Particularly, we focus on the influence of the nature of the electrodes and pre-stress applied to the transducer. In order to evaluate the influence of the time duration on the behavior of the leakage current, short and long-term electrical stress times was applied during short times and up to 15 hours.Leakage current in electroactive polymers were discussed for a commercial polyacrylate (VHB4910 from 3M) currently used for soft transducers applications. This current is investigated as a function of external factors (stretching, temperature, type of material for electrodes)In order to evaluate the limitations in term of voltage and in the goal to increase the lifetime of these transducers, the second part of our study is focused on the dielectric strength of silicone rubbers for various types of electrodes (gold, Aluminum, graphene nanoplatelets, graphene : GnP). The effect of self-healing is particularly studied and a selection of electrodes for soft transducers based on dielectric elastomers is proposed.