La triboélectricité

La triboélectricité est un phénomène d'échange de charges électriques qui apparaît lorsque l'on frotte deux matériaux de natures diérentes. Dans le cadre de cette thèse, un tel phénomène pour- rait donc s'avérer très utile pour polariser notre structure capacitive et ainsi obtenir un récupérateur réellement autonome durant plusieurs décennies. Ce processus d'électrication par frottement n'est pas encore totalement compris à ce jour (modèles, comportements,...) alors que ce fut historiquement le premier phénomène électrique étudié scientiquement. L'amplitude de ce phénomène dépend de nombreux paramètres comme : le couple de matériaux utilisés, la rugosité, les conditions de frotte- ment (intensité et vitesse), l'humidité de l'air, la température... Une liste appelée série triboélectrique a notamment été déterminée de façon totalement empirique pour classer les matériaux ; en voici un extrait [Me73] :

Fourrure de lapin/lucite/verre/quartz/laine/fourure de chat/soie/coton/bois/ambre/résine/Teon Les matériaux proches du début de la liste ont tendance à perdre des électrons et à se polariser positivement, alors que les substances localisées à droite de la série ont tendance à attirer les électrons et se chargent négativement. Lorsqu'on frotte deux matériaux l'un contre l'autre, celui situé le plus à gauche de la liste va donc céder des électrons au matériau situé plus à droite de la liste. On peut donc voir que le Teon est à ce jour un des meilleurs matériaux triboélectriques négatifs. Nous allons donc dans un premier temps tester quelques matériaux en les frottant manuellement avec des lms de Teon FEP de diérentes épaisseurs. Expérimentalement, il semble que les niveaux de tensions atteints dépendent très peu du matériau utilisé en regard du Teon FEP (gure 2.19a et [SC99]), ce qui nous permettra de restreindre les futurs tests au couple Teon/cuivre. En termes d'amplitude, la tension atteinte par triboélectricité est dix fois plus faible que la tension de claquage du Teon (gure 2.19a) et du même ordre de grandeur que la tension de claquage de l'air pour une épaisseur équivalente. Ce potentiel est également identique aux meilleurs électrets de 25µm et peut atteindre des valeurs bien supérieures pour des lms plus épais (gure 2.19b).

En règle générale, il est préférable d'utiliser un couple diélectrique/métal an que le matériau métallique du couple triboélectrique fasse oce de contre-électrode. Il sut ensuite de déposer une électrode sur le côté opposé du diélectrique an de créer une structure capacitive polarisée par triboélectricité. La gure 2.20 décrit le fonctionnement d'un récupérateur triboélectrique à entrefer variable :

 (a) Au départ, les matériaux conducteurs et diélectriques sont non chargés

 (b) Le premier contact entre la contre-électrode et le diélectrique permet un échange de charges à l'interface diélectrique/contre-électrode

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 100 200 300 400 500 Epaisseur de FEP (µm) Cu Al Au Nylon Kapton

Claquage Teflon FEP/10

0.1 1 10 100 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Epaisseur (mm)

Claquage Teflon FEP

Claquage air

Electrets

Cu/FEP

(a) (b)

Figure 2.19  (a) Mesure du potentiel de surface de quelques lms de Teon FEP frottés  manuel- lement  avec quelques autres matériaux. (b) Comparaison avec des électrets de l'état de l'art et les tensions de claquage de l'air et du Teon FEP.

 (c) Après séparation du diélectrique et de la contre-électrode, le diélectrique est chargé né- gativement en surface et la contre-électrode positivement ; des charges électriques vont donc circuler dans la résistance.

Durant les premiers cycles, le nombre de charges échangées va rapidement augmenter pour at- teindre une valeur limite (xée par de nombreux paramètres).

C(t) Diélectrique R Electrode Contre-électrode G G Cmax R G G Cmin R G G (a) (b) (c)

Figure 2.20  Fonctionnement d'un récupérateur triboélectrique à entrefer variable : (a) Avant le premier contact, le diélectrique est non chargé. (b) Lors du premier contact, des charges électriques sont échangées à l'interface entre la contre-électrode et le matériau diélectrique. (c) Après la sépa- ration, une partie des charges reste sur la contre-électrode tandis que la même quantité de charges (de signe opposé) reste piégée dans le diélectrique formant ainsi un électret (tribo-électret).

2.5.5 Bilan

Cette section nous a permis d'introduire le phénomène de claquage diélectrique qui limite sur- tout la polarisation des structures par une capacité extérieure haute tension. L'utilisation d'une capacité extérieure haute tension est un choix pertinent pour la polarisation des structures capacitives mais limite la durée de fonctionnement à une dizaine d'années avec le risque qu'un court circuit décharge le condensateur de polarisation.

L'utilisation d'électrets est également une option intéressante à condition que ceux-ci restent stables susamment longtemps. Le récupérateur doit donc être utilisé dans des condi- tions normales d'humidité et de poussière, limitant les applications pour la récupération d'énergie

des écoulements d'air. De plus, il est nécessaire de garder une certaine distance minimale entre l'élec- tret et la contre-électrode an d'éviter toute décharge de l'électret sur la contre-électrode. Ce gap d'air permet d'éviter toute perte d'énergie par frottement mais limite dans le même temps la capacité maximale atteinte par le système.

Lorsqu'on fonctionne en triboélectricité, le frottement est nécessaire et induit des pertes énergétiques non négligeables. Néanmoins, la capacité maximale n'est plus limitée et peut théoriquement atteindre des valeurs très élevées, à condition d'utiliser des lms diélectriques assez ns. Cette option nous permet également d'envisager un nombre élevé d'électrodes pour un fonctionnement à chevauchement variable. De plus, nous n'avons alors plus besoin d'utiliser des moyens de fabrication très précis pour le contrôle du gap étant donné que celui-ci n'existe plus.