Etude des Propriétés Electromécaniques des Polymères Electrostrictifs et
II. Caractérisation électromécanique des polymères électrostrictifs
II.2 Résultats expérimentaux et discussions
II.2.1 Effet de la fréquence sur la déformation électromécanique
Le dispositif expérimental décrit au paragraphe précédent, nous permet de mesurer la polarisation ainsi que la déformation due à l’application du champ électrique, en fonction de
l’amplitude du champ électrique dynamique variant de 0 à 20 �/µ� pour différentes
fréquence. Dans le chapitre précédent une étude en quasi-statique de la caractérisation électrique et mécanique a été réalisée. Pour compléter l’évaluation des nos polymère, une étude électromécanique est nécessaire afin de juger de leur application potentielle ainsi que des phénomènes physiques à l’origine de leur déformation. Pour cela une étude de la dépendance de la déformation avec la fréquence est entreprise dans ce paragraphe. La figure III.4 illustre l’évolution de la déformation en fonction du champ électrique et pour des
fréquences différentes (0,1 à 10 ��) de film de PU 1%�. Les mêmes mesures ont été
réalisées pour un échantillon de P(VDF-TrFECFE) 1%� avec différentes fréquences, les
résultats sont représentés dans la figure III.5.
Les résultats montrent une forte dépendance de la déformation avec la fréquence pour les deux types de polymères étudiés. La déformation électromécanique diminue en augmentant la fréquence, cette diminution est due à la polarisation interfaciale ou Maxwell qui joue un rôle prépondérant à basses fréquences avec les charges d’espaces. Cette dépendance laisse sous-entendre un phénomène de frottement sec, entre le film de polymère et les électrodes en laiton. Des études ont été effectuées au laboratoire LGEF sur l’effet du frottement sec laissant donc supposer que les frottements entre les disques en laiton et le polymère peuvent être négligés.
Figure III.4: Déformation en fonction du champ électrique pour différente fréquences pour un échantillon de PU �%� d’une épaisseur de �� µ�
Figure III.5: Déformation en fonction du champ électrique pour différentes fréquences pour un échantillon de P(VDF-TrFE-CFE)�%� d’une épaisseur de �� µ�
II.2.2 Effet de l’épaisseur sur la déformation électromécanique
Dans cette partie, nous étudions l’effet de l’épaisseur sur l’activité électromécanique du PU
1%� et du P(VDF-TrFE-CFE) 1%� pour une fréquence de 1��. Les figures III.6 et III.7
illustrent l’évolution de la déformation électromécanique en fonction du champ et pour différentes épaisseurs de films à base de PU et P(VDF-TrFE-CFE), respectivement.
Figure III.6: Déformation en fonction du champ électrique pour un échantillon de PU �%� à ��� et pour
Figure III.7: Déformation en fonction du champ électrique pour un échantillon de P(VDF-TrFE-CFE) �%� à ��� et pour différentes épaisseurs
Selon les résultats obtenus, on peut distinguer deux régions. La première concernant les
faibles amplitudes de champ électrique (inférieur de 5 �/µ�), et dans laquelle une
dépendance quadratique entre la déformation et le champ électrique est observée. Par contre
dans la deuxième (supérieur de 5 �/µ�), les échantillons montrent une saturation de leur
déformation électromécanique. On peut expliquer ce phénomène par le caractère hyperélastique des polymères ou par la non-linéarité entre la polarisation et le champ électrique.
Ces résultats permettent de visualiser une autre caractéristique très importante, la forte dépendance qui existe entre la déformation, l’épaisseur du film étudié et le champ électrique. La figure III.8 montre clairement cette dépendance avec différentes amplitudes du champ électrique. L’évolution de la déformation électromécanique avec l’épaisseur s’explique par la structure des polymères et la distribution non-uniforme du champ électrique.
D’après cette figure, pour des valeurs élevées du champ électrique (10 et 15 �/µ�), les films
minces ont tendance à mieux se déformer et cette déformation diminue progressivement en augmentant l’épaisseur du film. Cela provient de l’homogénéité de la structure du polymère Par contre, ce phénomène est inversement produit pour des valeurs faibles du champ
électrique (4 �/µ�), c.-à-d. la déformation électromécanique croit avec l’augmentation de
Figure III.8: Variation de la déformation avec l’épaisseur pour un échantillon de PU �%� à ��� et pour
différentes amplitudes du champ électrique
II.2.3 Effet des nanoparticules sur la déformation électromécanique
La figure III.9 présente la déformation électromécanique en fonction du champ électrique pour différent pourcentage de nanoparticules de noir de carbone d’un film de PU avec une
fréquence de 1 ��. Les mêmes mesures ont été réalisées pour la matrice de
P(VDF-TrFE-CFE) avec une fréquence de 100 ���, les résultats sont illustrés dans la figure III.10.
Figure III.10: Déformation en fonction du champ électrique à �. ��� pour une épaisseur de �� µ�
Ces mesures ont permis de mettre en évidence l’avantage d’utiliser des charges conductrices (noir de carbone) pour l’amélioration des propriétés de conversion électromécanique des polymères électro-actifs. Avec l’application des faibles amplitudes du champ électrique
(inférieur à 5 �/µ�), on observe une dépendance quadratique de la déformation avec le
champ électrique. Et au-delà de cette valeur du champ électrique (supérieur à 5 �/µ�), une
saturation est clairement visible dans tous les types des films étudiés.
La réponse électromécanique des composites chargés à l’aide de particules conductrice est supérieure à celle des matrices de départ. Dans le cas du PU par exemple, pour une même
valeur du champ électrique (7 �/µ�), la déformation produite par le PU 1%� est de 20% au
lieu de 7% pour un PU pur, ça nous permet d’augmenter la conversion électromécanique d’un facteur de 3. Mais pour le P(VDF-TrFE-CFE) l’activité électromécanique est améliorer d’un facteur de 1.4. Ces résultats ne prouvent pas seulement l’avantage de l’incorporation de nanoparticules pour l’amélioration du couplage électromécanique au sein des polymères, mais aussi un abaissement significatif de la tension d’activation des films qui reste actuellement le verrou technologique majeur des films de polymère électro-actifs pour le développement d’applications.
La réponse en déformation de tous les films de polymères étudiés suit l’équation quadratique �3 =−�33�3 à un champ électrique faible. Le coefficient d’électrostriction �33 peut être
calculé à partir de la pente par rapport au champ électrique faible (inférieur de 5 �/µ�). Le
tableau ci-dessous récapitule les différentes valeurs du coefficient d’électrostriction ainsi que la déformation maximale �3max pour différentes fréquences.
Tableau III.1: Le coefficient d’électrostriction et la déformation maximale à différentes fréquences Type Epaisseur (µ�) ��� (��/��) S3max (%) PU pur 46 1.1 10-15 9.2 � .� �� PU �. �%� 60 2.4 10-15 13.63 PU �%� 57 4.5 10-15 21.9 P(VDF-TrFE-CFE) 48 1.27 10-15 13.6 P(VDF-TrFE-CFE) �%� 46 2.39 10-15 20.5 PU pur 46 0.81 10-15 6.8 � �� PU �. �%� 60 1.9 10-15 10.76 PU �%� 57 3.1 10-15 14.7 P(VDF-TrFE-CFE) 48 1.12 10-15 11.2 P(VDF-TrFE-CFE) �%� 46 1.88 10-15 16.46 PU pur 46 0.73 10-15 5.3 �� �� PU �. �%� 60 0.82 10-15 6.42 PU �%� 57 1.3710-15 10.1 P(VDF-TrFE-CFE) 48 1.06 10-15 9.1 P(VDF-TrFE-CFE) �%� 46 0.95 10-15 13.2
II.2.4 Effet de la précontrainte sur la déformation électromécanique
Le but de ce paragraphe consiste à étudier la capacité de ces polymères lors de l’application des différentes précontraintes et de déterminer la force qu’ils peuvent générer, afin de mettre nos matériaux dans des conditions réelles d’application.
La déformation électromécanique qui se présente sous forme d’ailes de papillon en fonction
du champ électrique pour différentes précontraintes pour un échantillon PU 1%� d’épaisseur
50 µ� à 0.1 ��, est illustrée en figure III.11. Selon les courbes obtenues, on peut observer
une forte dépendance de la déformation avec la contrainte statique, par exemple à vide pour
un champ électrique de 5 �/µ� la déformation est de −17.84 % tandis que pour une
contrainte statique de −22.55 ���, elle chute à −2.95 %. Cette diminution tend vers
l’abaissement des propriétés en actionnement des nos polymères. Ainsi, l’application de cette contrainte statique empêche le développement du volume polaire sous champ électrique.
Figure III.11: Déformation en fonction du champ électrique pour différentes précontraintes et une épaisseur de �� µ� à 1�� ���
Figure III.12: Déformation en fonction du précontrainte pour un champ électrique de � �/µ� à ��� ��� sur un film de PU �%�
La figure III.12 présente la déformation électromécanique en fonction du contrainte statique
pour un échantillon PU 1%� sous un champ de 5 �/µ� pour une fréquence de 0.1 ��. Pour
des valeurs de pré-contraintes faibles (inférieur à 5 �/µ�), une diminution significative est
observée, qu’on peut expliquer par l’augmentation de la rigidité du polymère. Lorsque la précontrainte devient plus importante, la rigidité que possède les polymères devient plus grande, d’où une diminution des propriétés électromécaniques. Quand la déformation devient nulle pour une précontrainte donnée, il est alors possible d’accéder à la force de blocage.