2 Conversion d’énergie mécanique par un textile piézoélectrique
2.4 Caractérisation des structures textiles piézoélectriques
2.4.1 Dispositifs mis en place
La bibliographie rend compte de nombreuses possibilités de caractérisations de textiles piézoélectriques en les sollicitant en traction, en compression, en torsion à l’impact etc. [159], [163]. Toutes ces caractérisations sont réalistes du point de vu de l’usage des textiles mais nous avons choisi d’étudier uniquement nos textiles en compression pour d’une part, les solliciter dans le sens de la polarisation et d’autre part, pour, initialement, pourvoir déterminer un coefficient piézoélectrique (d33) macroscopique équivalent de nos structures. Ainsi, après polarisation au contact entre des électrodes de 3 × 3 cm, les textiles sont découpés et placés entre les plateaux d’un DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) équipé d’électrodes de cuivre, isolées de l’appareil, de 2,5 cm de diamètre. Ces électrodes sont reliées, selon les cas, à un voltmètre (mesure directe de la tension de sortie) ou à un circuit permettant de stocker l’énergie. Le montage sur le DMA est visible à la Figure 72.
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Figure 72 : Vue d’un échantillon textile placé entre les 2 électrodes de cuivre entre les plateaux du DMA pour une sollicitation en compression [162]
Dans le cas des mesures directes, les tensions de sortie sont enregistrées grâce à un Keithley 3706A au cours de 7 cycles de 5 secondes pendant lesquels les textiles subissent une charge initiale de 5 N puis une compression de 4 % de l’épaisseur à une fréquence de 100 Hz.
Le circuit de « stockage » d’énergie est lui, simplement basé sur une diode (pour le redressage), un condensateur (1 µF, pour le stockage) et un interrupteur qui permet de libérer les charges vers une résistance pour décharger le condensateur. Dans ce cas, les textiles sont sollicités au DMA (73,5 Hz, pré-charge de 10 N et pourcentages de compression variables selon l’étude effectuée) et la tension aux bornes du condensateur est enregistrée en continue grâce à un Keithley 3706A.
2.4.2 Importance de la structure textile
Cette partie a pour but de comparer les tensions produites par les trois structures textiles mises en œuvre et polarisées. La Figure 73 présente la tension aux bornes du condensateur mesurée pour des toiles, interlocks et tricots 100 % PVDF, réalisés à partir de multifilaments produits avec un étirage λ = 5, après 180 secondes de compression au DMA. La pré-charge est fixée à 10 N, la fréquence de sollicitation à 73,5 Hz et plusieurs taux de compression, de 20 % à 50 %, ont été testés.
Figure 73 : Tension de sortie des étoffes 100 % PVDF sollicitée en compression sous différents taux de compression (%) et pré-charge (N) [162]
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De manière générale, la Figure 73 montre que les meilleures réponses sont obtenues pour une compression de 40 %. A ce taux, l’interlock est le plus efficace (652 ± 48 mV) devant le tricot côte 1x1 (529 ± 21 mV) puis la toile (377 ± 13 mV). L’avantage semble donc être donné aux structures épaisses. L’interlock a également pour avantage de produire une tension assez stable quel que soit le niveau de compression.
Pour aller plus loin, TALBOUDET Anaëlle a comparé en mesure directe la toile et l’interlock sous faible déformation. Ainsi, les électrodes de cuivres sont reliées à un Keithley 3706A pour enregistrement. Les Figure 74 et Figure 75 montrent les tensions de sortie enregistrées au cours de 7 cycles de 5 secondes pendant lesquels les tissus (interlock et toile, respectivement) subissent une charge initiale de 5 Newtons puis une compression de 4 % à une fréquence de 100 Hz. Chaque figure compare un échantillon polarisé (trait plein) et non polarisé (pointillés).
Figure 74 : Tension de sortie lors de la sollicitation sous DMA (100 Hz, 4 % de déplacement, 5 N) d’un interlock 100 % PVDF polarisé ou non [24]
Figure 75 : Tension de sortie lors de la sollicitation sous DMA (100 Hz, 4 % de déplacement, 5 N) d’une toile 100 % PVDF polarisée ou non [24]
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La Figure 74 montre la production d’une tension par le tissu interlock 100 % PVDF polarisé avec un pic maximum à 2,3 V et un RMS à 1,29 V. Sans polarisation cette tension de sortie est de l’ordre de 0,2 V. Cette mesure pourrait indiquer une orientation préférentielle des domaines piézoélectriques lors de l’étape de filage qui polariserait spontanément le fil.
Pour la toile (Figure 75), la tension de sortie RMS est de 0,085 V. Cette valeur, 15 fois plus faible que pour l’interlock, ne s’explique pas par la différence de porosité (59 % pour la toile et 57 % pour l’interlock), ni par la « quantité de matière » entre les électrodes puisque quand les tensions produites sont ramenées aux masses surfaciques des étoffes, l’écart reste important : 0,11 mV/g/m² pour la toile et 0,87 mV/g/m² pour l’interlock. Cette analyse est confirmée par la mesure de la tension de sortie lors de sollicitations sous DMA de deux toiles superposées (Figure 76) dans le but d’atteindre une épaisseur totale proche de celle de l’interlock (2,16 mm contre 2,38 mm, respectivement).
Figure 76 : Tension de sortie lors de la sollicitation sous DMA (100 Hz, 4 % de déplacement, 5 N) de deux toiles superposées 100 % PVDF polarisée [24]
Les résultats présentés à la Figure 76, ne montrent qu’une faible augmentation de la tension de sortie RMS qui passe de 0,085 V, pour une toile à 0,128 V pour deux toiles. Ces résultats montrent clairement l’intérêt des interlocks qui permettent de disposer, dans une structure liée, des multifilaments possèdant un plus grand potentiel de déformation lors des sollicitations par compression.
2.4.3 Prépondérance de l’effet piézoélectrique sur l’effet triboélectrique
Les études sur les textiles piézoélectriques s’attachent toujours à optimiser le matériau puis à étudier sa réponse après sa mise en œuvre dans une structure textile. Il nous a semblé important d’étudier la réponse piézoélectrique de structures textiles réalisées avec des multifilaments non optimisés, mais avec des taux de phase β connus. De plus, cette étude pourra mettre en lumière la possible contribution d’un effet triboélectrique généré par notre dispositif de test.
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Une campagne de filage a permis de produire des multifilaments 100 % PVDF avec des taux d’étirage (λ) de 1,25 à 4 et donc possédant des taux de phase β allant de 19 % à 94 %. Le Tableau 13 reprend les taux d’étirage et les fractions en phase β des multifilaments utilisés.
Tableau 13 : Taux d’étirage et fraction en phase β des multifilaments 100 % PVDF
Les multifilaments sont tricotés en côte 1x1 puis les étoffes polarisées et enfin sollicitées en compression au DMA à une fréquence de 73,5 Hz, sous 10 N de pré-charge et sous 40 % de compression. La Figure 77 montre les tensions enregistrées après 180 secondes de compression.
Figure 77 : Tension de sortie aux bornes des tricots 100 % PVDF réalisés avec des multifilaments étirés à λ = 1,25, 2, 3 et 4 ; sollicités en compression (DMA, 73,5 Hz, 40 % de déplacement, 10 N de
pré-charge) [162]
Comme attendu, ces résultats montrent clairement le lien entre l’étirage λ (et donc ici le taux de phase β, Tableau 13) et la tension produite. De plus lorsque le taux de phase β est cinq fois plus important (de 19 à 94 %), la tension de sortie est également cinq fois plus importante (de 68 à 362 mV). Cela exclu quasiment toute contribution autre que l’effet piézoélectrique dans nos mesures.
2.5 Conclusion
L’optimisation du processus de filage, peu traité dans ce rapport, géré par le groupe MTP a permis l’obtention et la multi caractérisation de multifilaments 100 % PVDF avec un taux de phase β maximisé [14].
De ce matériau, nous avons mis en évidence l’importance des structures textiles qui lui était associé et montré qu’une structure interlock diagonal pouvait avantageusement produire de l’énergie par compression par rapport à d’autres structures simples.
Les énergies produites sont faibles et, bien sûr, l’électronique accompagnant le textile récupérateur aura une place importante dans de potentiels développements futurs. Les premiers essais réalisés
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par TALBOURDET Anaëlle, en utilisant un pont de diodes (non présenté ici), montrent un système cinq fois plus efficace que le système basé sur une simple diode. Ainsi les énergies emmagasinées par le condensateur (1µF) en 180 secondes sont de 8,7 mJ/m² pour la toile, 17,4 mJ/m² pour le tricot côte 1x1 et 26,7 mJ/m² pour l’interlock [162].
En plus des applications récupération d’énergie, les matériaux et structures développés peuvent trouver d’autres utilisations dans les domaines des capteurs ou actionneurs mécaniques par exemple.
Ces activités sur la récupération d’énergie par des textiles piézoélectriques ont été valorisées par 2 publications [14], [24], 6 conférences [77], [83], [86], [89]–[91] et 2 communications par affiches [99], [103] associés au travail.