Mesure de l’effet piézoélectrique des textiles

Après l’étape de polarisation, la piézoélectricité d’un matériau peut être mesurée par différentes techniques, en tension [5], en compression [10,11], tests à l’impact [12], à l’agitation [13]. Dans ce mémoire, nous avons choisi d’étudier les textiles en compression grâce à l’appareil DMA. Les étoffes sont soumises à une compression dynamique dans la direction de l’épaisseur de la structure à l’aide de l’appareil. Le principe de l’essai est proposé dans le Chapitre B. II. 7. 1) du mémoire. La photo du dispositif de compression des textiles piézoélectriques sur l’appareil DMA est présentée Figure B-17.

Figure D-16. Photo dispositif compression, plateaux de 1,7 cm², sur l'appareil DMA

III. 1. Étude I : Influence des structures tissées

Cette première étude a pour objectif de comparer l’énergie piézoélectrique délivrée par deux tissus de structures différentes, un tissu 2D de type toile et un tissu 3D de type interlock dans l’épaisseur. La caractérisation piézoélectrique est réalisée sur les structures textiles par compression. Afin de pouvoir comparer les tissus 2D, toile, et 3D, interlock, une faible sollicitation par compression est appliquée pendant 7 cycles de 4 secondes sous une fréquence de 100 Hz. Les échantillons sont exposés à une précharge de 5 N, appliquée à 4 % de l’épaisseur totale de l’échantillon textile.

Ces paramètres de sollicitation ont été fixés en fonction du seuil des tensions de sorties générées. En effet, l’appareillage écrête à 12 V et lors de sollicitations en compression trop importantes, l’appareil fausse les résultats des tensions de sortie. Afin de pouvoir comparer correctement les échantillons polarisés et non polarisés et de s’affranchir de ce seuil, une faible sollicitation en compression de 4 % en déformation et 5 N en précharge sont imposés aux étoffes textiles.

Les électrodes de cuivre sont directement connectées à un multimètre pour enregistrer la tension de sortie. Pour l’interlock, la tension de sortie maximale mesurée est de 2,3 V et la valeur efficace (RMS) est de 1,29 V, calculée uniquement pendant les sollicitations. Sans polarisation, la tension de sortie mesurée varie autour de 0,2 V pendant les cycles de mesure de compression, soit un résultat douze fois inférieur à la réponse piézoélectrique après polarisation. Ces résultats sont représentés graphiquement Figure D-17.

Figure D-17. Tension de sortie mesurée sur l’interlock piézoélectrique 3D en compression sous une fréquence de 100 Hz, un déplacement de 4 % et une précharge de 5 Newton (sur 7 cycles)

Pour valider l’effet piézoélectrique des tensions générées, d’autres essais sur des matériaux textiles non piézoélectriques de même épaisseur (coton, polyester) ont donné quelques dizaines de millivolts. La tension de sortie de 0,2 V obtenue pour l’interlock non polarisé semble indiquer l’existence d’une orientation spontanée des dipôles pendant le filage en voie fondue et l’étirage, donnant ainsi une certaine partie de la réponse piézoélectrique du PVDF. Ces résultats semblent en accord avec les analyses Raman présentées au (Chapitre C. IV. sur l’orientation des macromolécules.

Les tensions de sortie mesurée à partir de la toile 2D avec les mêmes paramètres appliqués (5 N, 4 %) sont inférieures en comparaison avec les réponses de l’interlock. Comme présenté Figure D-18, les tensions de sortie maximales obtenues sont de 0,14 V et 0,08 V pour une toile polarisée et non polarisée, respectivement. Ces tensions sont seize fois inférieures à la réponse générée par une structure tissée 3D.

Figure D-18. Tension de sortie mesurée sur la toile piézoélectrique 2D en compression sous une fréquence de 100 Hz, un déplacement de 4% et une précharge de 5 Newton (sur 7 cycles)

L’épaisseur et l’armure des tissus sont les deux principales différences entre les deux structures tissées présentées dans cette première étude. Afin de comprendre si le paramètre épaisseur affecte les résultats des tensions de sortie, deux couches de toile ont été empilées et sollicitées ensemble. Le graphique des tensions de sortie de la superposition des toiles est proposé Figure D-19.

Figure D-19. Tensions de sortie mesurées sur une toile et la superposition de deux toiles en compression sous une fréquence de 100 Hz, un déplacement de 4% et une pré-charge de 5 N

Les pics de tension de sortie générés par la superposition sont du même ordre de grandeur que la tension de sortie générée par une couche de toile. Le RMS est de 0,128 V, soit 0,08 mV/g/m2 pour la superposition de deux couches de toile et de 0,085 V, soit 0,11 mV/g/m² pour une couche. Pour comparaison, le RMS en fonction de la masse surfacique d’un interlock est de 0,87 mV/g/m². 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0 5 10 15 20 T ens io n de so rt ie (Vo lt s) Temps (Secondes)

2 couches Toile polarisée - 4% 5 N 1 couche Toile polarisée - 4% 5 N RMS 2 couches

En tenant compte de l’absence de cohésion entre les couches de toile, l’ajout d’une épaisseur ne conduit donc pas aux mêmes tensions de sortie obtenues lors de la sollicitation d’un tissu interlock 3D. Les résultats des tensions de sortie sont donc liés à l’armure du textile et plus précisément à la déformation de la structure textile et non à la masse surfacique sollicitée. Le tissage d’un interlock diagonal dans l’épaisseur provoque en effet un placement de fil différent. Chaque multifilament dans la structure interlock 3D présente un plus grand potentiel de déformation que dans la toile, ce qui entraîne une meilleure réponse en tension de sortie, comme schématisé Figure D-20. Lors de la déformation du tissu interlock à trois épaisseurs, le fil de chaîne sollicité en compression permet de comprimer trois fils de trame.

Figure D-20. Fils de chaînes (a) toile, (b) interlock

L’association d’une résistance de 1 MΩ placée en parallèle avec le voltmètre et les électrodes des plateaux de sollicitations en compression, comme présenté sur le circuit Figure D-21, permet de mesurer l’énergie délivrée par les structures tissées sous sept cycles de sollicitations. La résistance a été définie en fonction de l’impédance du matériau lors d’un signal alternatif. Cette énergie est calculée à partir de la somme des puissances mesurées sur chaque cycle de compression de quatre secondes chacun. Pour le tissu interlock, l’énergie délivrée est de 10,5 μJ/m² et 2,0 μJ/m² pour la toile.

Figure D-21. Circuit électrique comprenant les électrodes places de chaque côté de l’échantillon textile, une résistance de 1 MΩ et un keithley

La Figure D-22 récapitule les différentes mesures réalisées sur les tissus : le pic maximum en tension de sortie obtenu, le RMS des pics et enfin l’énergie délivrée lors de la sollicitation par compression des tissus. Pour les trois paramètres présentés, les réponses du tissu 3D interlock sont meilleures que celles de la toile.

Figure D-22. Tension de sortie et puissance des tissus 2D et 3D polarisés

Lors de cette première étude, deux structures tissées ont été comparées : la toile 2D et le tissu interlock 3D. La tension de sortie générée par interlock est seize fois plus importante que celle générée par la toile, pour une même sollicitation. La réponse en tension de sortie par l’interlock est due à la déformation des multifilaments tissés dans la troisième direction, soit dans l’épaisseur du tissu. Ces multifilaments connaissent une déformation importante dans l’épaisseur du tissu entraînant également la compression des fils de trame.

III. 2. Étude II : Influence des étoffes textiles

Lors de l’étude I, les plateaux de compression sollicitent le textile piézoélectrique par cycles de quatre secondes. L’énergie électrique délivrée pendant ces cycles est trop faible pour pouvoir alimenter un capteur ou autre élément électrique de type diode électroluminescente (DEL). Dans le but de cumuler l’énergie piézoélectrique délivrée lors des sollicitations mécaniques appliquées sur les étoffes, un circuit électrique comprenant un condensateur externe a été mis en place. Un condensateur est un composant électronique permettant de stocker des charges électriques à ses bornes, avant libération lors de la décharge. Cette charge et cette décharge ont un comportement exponentiel, si bien que le temps nécessaire pour charger le condensateur dépend sa capacité (exprimée en farads (F)) et de la tension appliquée à ses bornes, selon Équation D-2.

𝑄 = 𝐶 × 𝑈 𝑒𝑡 𝑈 =𝐼 × 𝑡 𝐶

Équation D-2

Avec Q la charge électrique en coulomb (C), C la capacité du condensateur en farad (F), U la tension à ses bornes, en volt (V), I l’intensité en ampère (A) et t le temps en seconde (s).

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Tension de sortie (Volts) RMS (Volts) Energie (e-5 J/m²) 2D - Toile polarisée 3D - Interlock polarisé