Matériaux récupérateurs d'énergie poreux multi-échelle innovants obtenus par irradiation aux ions lourds rapides et fonctionalisation

Design and development of multi-scaled Porous Energy Harvesters shaped by swift heavy ions irradiation and functionalization

• Auteur / Autrice : Marie Sigallon
• Direction : Marie-claude Clochard, Jean-eric Wegrowe
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Solides Irradiés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physique et Chimie des Nano-Objets

Mots clés

Mots clés libres

Polymère solide

Piezoélectricité

Fonctionnalisation chimique

Irradiation

Modelisation physique

Matériaux composites

Solid polymer

Chemical functionalisation

Piezoelectricity

Irradiation

Physical modeling

Composite materials

Résumé

Du fait de la croissance des microdispositifs autonomes, la piezoélectricité apparaît comme une des solutions les plus demandées par les industriels pour alimenter des microcapteurs sans fil en exploitant l'énergie vibrationnelle disponible dans l'environnement (vent, rivières…) ou dans les structures industrielles (conduites, transports…). Pour répondre à ces besoins, le convertisseur énergétique doit être un matériau robuste et flexible. Les matériaux en polydifluorure de vinylidène (PVDF) sont parmi les meilleurs candidats pour la fabrication de tels piezogénérateurs. Cependant, le principal inconvénient du PVDF est sa faible permittivité qui a pour effet que de petits éléments auront de faibles capacités et souffriront d'une perte de signal lors du chargement électrique. Pour pallier ce problème, l'introduction d'additifs métalliques permet d'améliorer l'efficacité de la polarisation et les propriétés piezoélectriques de ces composites. Seulement, un excès d'additifs métalliques risque d'accroitre, par agglomération, les pertes de courant, ce qui n'aura aucun bénéfice sur l'amélioration de la performance piezoélectrique et, encore moins, sur l'efficacité électromécanique. La tendance actuelle est donc d'incorporer dans la formulation du PVDF d'autres matériaux type PZT, BaTiO3, MOFs… et/ou d'adopter une autre approche, moins étudiée, jouant sur la porosité elle-même. Ces sont ces nouvelles approches que nous (LSI, ENS, IEM) aimerions combiner et développer davantage dans cette proposition. Introduire une porosité par technique de moussage a très récemment démontré étendre les effets de contrainte-déformation dans le matériau et a amélioré l'efficacité piezoélectrique. L'idée est ici d'introduire une porosité multi-échelle à l'intérieur de traces ioniques attaquées dans le PVDF polarisé en immobilisant des nanoparticules de Metal Organic Frameworks (MOFs) et d'étudier ces nouveaux piezomatériaux en réalisant des mesures de conductance ionique sous tension.

Ln the trend of development of autonomous micro-devices, piezoelectricity appears to be one of the most demanded solution by industrials to power wireless microsensors exploiting any vibrational source of energy from the environment (wind, rivers ) or industrial infrastructures (pipes, transportation ). To address these issues, the energy harvester should be a robust and flexible material. Piezoelectric polyvinyldifluoride (PVDF) based materials are among of the best candidates for fabrication of such flexible piezogenerators. However, PVDF main inconvenience is its low relative permittivity, with the effect that small sensing elements will have low capacitances and suffer signal loss through electrical loading. To overcome this low-capacitance problem, the introduction of conductive fillers is a feasible measure to improve the polarization efficiency and piezoelectric properties of PVDF composites. But the point is the dispersion of conductive fillers. Excessive agglomeration of conductive filler will increase the leakage current of the parts, which is not only have no benefit to piezoelectric performance improvement, but also lead to a decrease in electromechanical conversion efficiency. It thus would be important to embed other kind of fillers (PZT, ZnO, BaTiO3, MOFs ) in PVDF as it is the actual trend and/or to adopt another option, less studied, playing on the porosity itself of PVDF piezomaterials. It is these options that we (LSI, ENS, IEM) would like to combine and develop further within this proposal. Introducing a porosity by foaming have very recently shown to expand the stress-strain effect and improved the piezoelectric output capability. The idea is here to introduce a multi-scaled porosity inside etched ion-tracks of polarized PVDF by immobilizing Metal Organic Frameworks (MOFs) nanoparticles and study these novel piezomaterials by performing ionic conductance measurements under applied voltage.