COMPORTEMENT SOUS CHOC DE JAUGES PVF2

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Submitted on 1 Jan 1985

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COMPORTEMENT SOUS CHOC DE JAUGES PVF2

Michel Perez, D. Tougne

To cite this version:

Michel Perez, D. Tougne. COMPORTEMENT SOUS CHOC DE JAUGES PVF2. Journal de Physique Colloques, 1985, 46 (C5), pp.C5-655-C5-660. �10.1051/jphyscol:1985585�. �jpa-00224820�

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C5, supplément au n08, Tome 46, aoQt 1985 page C5-655

COMPORTEMENT SOUS CHOC D E J A U G E S P V F 2

M. P e r e z e t D. Tougne

Centre dfEtudes de Gramat, 46500 Gramat, France

RESUME -Des jauges minces à base de plyfluorure de vinylidène (PVF ) m t été étalonnées en compression par impact de plaques entre 10 et 250 & ^au

myen d'un canon à gaz comprimé. Deux types de jauges PVF2 élaborées selon des procédés différents ont été testées. Elles présentent respectivement des niveaux de plarisation rémanente de 5,3 p~/cm2 et 8,4 $/an2. Les signaux de tension délivrés par les jauges après impact ont permis d'établir les courbes Q ( o ) CÙ Q est la quantité de charges fournies par la jauge sous l'action de la contrainte principale o appliquée mrmalei-oent à çon plan. Les résultats n-ontrent d'une part une dispersion expérimentale de l'ordre de +10

% entre 10 et 130 kbar, d'autre part une chute brutale de l'activité piézo- électrique du entre 130 et 250 kbar.

ABSl'RAm - The shock lcading behavior of piezoelectric plyvinylidene fl-

- 2 ) gauges was investigated by =ans of impact experiments performed

with a smmth bore gas gun. ltvo xrcdels of FW2 gauges respectively pled at a remnent plarisation of 5,3 p~/un2 and 8,4 $/cm2 were elaborated. Brpe- r h t s in the range 10-250 k?xr provided shock voltage-the profiles that were reduced an a stress vs. electrical charge diagram. Up to 130 kbar the data exhibit a naximum reliability of f 10 %. Beyond this range, the pie- electric sensibility of the PIF2 gauges undergoes a catastrcphic collapse up to 250 kbar.

Le plyfluorure de vinylidène ou W F 2 est un poly&re piézoélectrique d - c r i s - tallin qui se distingue des niatériaux amventionnels, cristaux ou céramiques, par sa souplesse mécanique, sa faible densité, une permittivité relativement faible et par la possibilité de fabrication sous forme de films minces de grande surface.

Le Centre dlEtudes de Gramat (C.E.G. ) a entrepris,dés 1980, un programne d'&tube et de développanent de jauges minces en PVFl destinées d'une part à la aronane- trie des ondes de ccaripression dans les matériaux solides /1/, d'autre part à la mesure des contraintes engendrées par ces ondes dans les solides /2/. Les caracté- ristiques d'une jauge PVF2 insérable dans les matériaux selon les mÊmes critères que ceux adoptés pour les jauges piézorésistives /3/, ont été définies en 1980 par le C.E.G. L'étude et la fabrication de cette jauge ont été confiées à la société Thcmson-Brandt Amemmts qui a développé ce produit en oûllaboration avec le ratoire Central des Recherches (L.C.R.) de T h m - C S F . Par ailleurs, une colla?^^- ration technique entre l'Institut Franco-Allemand de Recherches de St ïxuis

(1 .S.L. ) et le C.E.G. a permis de réaliser des jauges PVF géc#nétriqumnt sembla- bles à celles développées par Thmon, à m i r d'un mteriau de base foumi 2 par

la firme japonaise KUREHA. Ces jauges m t été polarisées à 1' 1 .S.L. selon un prc- cédé mis au point par F. Bauer /4/.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1985585

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Cette ammunication décrit les travaux réalisés au C.E.G. p u r évaluer la réponse en ampression par choc des deux types de jauges. k s courbes d'étalonnage en ccm- trainte ont été établies entre 10 et 250 kbar, ce qui a permis de définir la pré- cision et l'étendue de niesure de ces capteurs.

II - DESCFCLF'TION DES JAUGEÇ MINCES PVF2

Le WF2 est un plymére sani-cristallin constitué de sphérolites cristallines incluses dans une phase mrphe. Sa mlécule est (-CH -CF2-), intermédiaire entre celle du polyéthylène (-CH2-CH2-), et celle su polytétrafluoréthyl~ne

(-CF2-CF ),. Cette mlécule est obtenue par polymérisation à partir du m h e de base b2- ^),^quiest gazeux aux axditions ambiantes. ïe produit ainsi obtenu est oamiercialisé sous la forme 2 de granulés par différentes firmes, mtamnent P.C.U.K. et ÇOLW en France, EXNEMGT (USA) et KUREHA (Japon).

Le L.C.R. de Thcmson-CSF a développé un procédé original de fabrication de films piézoélectriques en PVF2 à partir des granulés de base P.C.U.K. Ce procédé consiste à produire des films relativement épais par pressage à chaud des granulés, suivi d'une trenpe à l'eau. Ce processus produit un matériau &-cristallin constitué de sphérolites de *ses cristallines incluses dans une phase mrphe, avec un taux de cristallinité de l'ordre de 50 %. Les sphérolites de phases cristallines sont prin- cipaleiient o3nstituées d'une phase a m n polaire et, dans une mindre -sure, de la phase $ qui est la phase intéressante du WF2 pour ses propriétés piezoéleckriques.

Cette phase 0 croît au détriment de la phase a par étirement -que. Par laminage mbnique des films de 3 à 4 fois leur longueur initiale, le L.C.R. a obtenu un pourcentage de phase p de l'ordre de 53 % /4/ p u r le matériau constitutif des jauges minces PVF2. Les m n t s dipolaires p des milles cristallines de la phase p ne possédent pas d'axe d'orientation privilégié après étirement mécanique. Pour cuniuler les effets de ces mments diplaires unitaires, le natériau doit être polarisé dans un àiamp électrique de l'ordre de 1 MV/W. ïe vecteur polarisation électrique (polarisation rémanente) P d'un é l k t de volme dv du mtériau est alors donné par la relation (1) dans laquelle C$ est la çcmne vectorielle des m ments diplaires unitaires dans l'élément de volume dv considéré. D m s le d r e cartésien (1,2,3) de laFigure 1 le vecteur polarisation p s è d e alors une a m g o - sante rhanente Pr nan nulle dans la direction de l'axe 3, soit P (O,O,Pr).

Les jauges réalisées par la société lïl@EON-BRANDT (fig. 1) sont ibécoupées dans un film de WF2 de 25 p d'épaisseur obtenu par laminage. Deux électrodes sont ensuite déposées sous vide de part et d'autre du film, de fa- que les surfaces circulaires des électrodes soient disposées wncentriquement de part et d'autre du PVF .

Cette jauge est ensuite polarisée par llintern$diaire des deux électrodes. Cetze

&ode a p u r ait de polariser le WF dans la seule zone canprise entre les deux

électrodes circulaires. Cette zone de 3 ^mn^dediam%re mnstitue l'élénient piézo- électrique actif de la jauge.

Les jauges développées par ailleurs en collaboration avec 1'I.S.L. cait été réali- sées à partir de films PVF2 polarisés de 30 p d'épaisseur £ournis par la firme KUREHA. Lies jauges obtenues sont g6cdtriquement sanblables à celles représentées sur la figure 1, avec une surface sensible de 5 mn de diamètre.

Les coefficients piézoélectriques d de ces deux types de jauges ont été mesurés avec un piézanètre de Berlincourt / j j . Lies valeurs obtenues sont respectivement de 12 #/N pour les jauges lï%XWN et 19 pC/N pour les jauges I.S.L.

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, ,

, film PVF, ( 2 5 ~ )

FIGURE 1 : S c h h de la jauge mTF2

III +lEX'HûDE EXPERBEWAZiE

La configuration expérimentale dans laquelle les jauges ont été étalonnées est celle de l'essai d'impact de plaques. Ce type d'essai consiste à propulser à une vitesse V déterminée, un disque de natériau appelé impacteur contre une cible plane dans laquelle 1 ou 2 jauges WF2 ont été disposées dans un plan parallèle au plan d'impact (Figure 2).

impocteur

projectile

, ¹

^sondescourt-circuit ^à

cible

FIGmE 2 :

Conf iguration de 1 ' essai d'étalonnage des jauges

m2 ^au myen du canon à gaz cariprimé /5/.

Ces essais ont été réalisés au myen d'un canon à gaz oanprid de calibre 100 n n

/ S / . Ce dispitif permet d'obtenir de façon reproductible une obliquité à l'ins-

tant de l'impact de l'ordre de 10-~rd entre les faces planes en regard de l'impac teur et de la cible. Cette condition assure la propagation dans la cible d'une onde plane de déformation longitudinale qui sollicite les jauges dans la direction pré- férentielle de leur polarisation, c'est-àiiire dans la direction mrmale à leur plan.

U s jauges WF2 sont collées entre deux disques du natériau cible au myen d'une résine époxy de telle sorte que l'épaisseur totale du capteur mTF2 (capteur = jauge

+ wlle d'assemblage) soit supérieure de 13 p à celle de la jauge. Dans le cas de cibles conductrices, on doit ajouter à ces chiffres les épaisseurs de deus feuilles isolantes de kapton m de mylar (2x12 p) disposées de part et d'autre de la jauge.

Le principe des essais est le suivant. Après impact du projectile contre la cible, le natériau cible subit, dans la direction de l'axe 3 (f ig. 2) une contrainte ag (t) lors du passage de l'onde longitudinale plane mgend& par l'impact. Sous l'action de cette contrainte, la jauge WF2 délivre une quantité de d-iarges Q (t) définie

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JOURNAL DE PHYSIQUE

par la relation (2) suivante :

dans laquelle P3(t) représente la diminution, à l'instant t, de la plarisation r h e n t e pr de la jauge sous l'effet du tenseur contrainte qui lui est appliqué, et A la surface active de la jauge. Si l'on néglige, au-delà de quelques kilobars, la rigidité propre du film de colle, le tenseur des contraintes effectivement a p pliqué sur la jauge mTF sera isatrope avec pour ccmposante 03(t). Sous l'action de cette axtrainte, l8eff?et piézoélectrique direct du FVF2 s'exprhe par la relation (3) dans laquelle d3i sont les coefficients piézoélectrique du FVF2 /1/:

Les relations (2) et (3) permettent d'établir une relation biunivoque entre la amtrainte a3 (t) appliquée sur la jauge et la quantité de charges Q(t). C'est cette relation que m u s m u s proposons de déterminer par la voie expérimentale. Les essais d'impact de plaques ont été wnçus et dimensionnés p u r appliquer sur les jauges FVF une wntrainte a (t) soutenue à un niveau wnstant pendant 1 ps envi- m. Ch calcule o3 sur le pafier stationnaire connaissant les plaires de choc des matériaux impacteur et cible d'une part, la vitesse du projectile à l'impact d'autre part. La charge Q(t) est calculée par intégration ndrique du signal de ten- sion niesuré V(t), que délivre la jauge aux bornes d'une résistance R = 50 Q /2/ :

La figure 3 mntre un signal typique de tension fourni par une jauge KT2 incluse dans une cible en verre pyrex. L'impulsion de tension pitive correspond à la phase de aanpression de la jauge tandis que l'impulsion négative correspond à la détente qui revient de la face arrière de la cible.

Temps ( ~ s i

FIGüRE 3 : Signal de jauge Thom-

1

," -

E

i: 0.5

-

d

I son dans une cible en

verre pyrex aanprimé à 10,7 m.

- a) tension délivrée

par la jauge

b) b) quantité de charge Q(t) calculée par intégration du

O 0.5 1 1.5 2 signal de tension.

Temps Iusl

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Les figures 4 et 5 représentent les courtes contraintc'guantités de charges obtenues jusqu'à 80 kbar p u r les jauges I.S.L. et jusqu'à 250 kbar p3ur les jauges Thomson. Les pints expérimentaux (figure 4) présentent une dispersion q e n n e de l'ordre de ? 10 % par rapport aux courbes n-oyennes obtenues par lissage plynanial au sens des mindres carrés. Jusqu'à 80 kbr, le pl+ d'interpolation est de la f o m Q = aun avec les coefficients suivants lorsque Q est exprimé en $/cm2 et u en kbar :

- jauges 'Ihomson-Brandt : a = 0,248, b = 0,583

- jauges I.S.L. : a = 0,275, b = 0,433

1 FIGURE 5 : Courbe de réponçe

piézoélectrique des jauges mon-Brandt entre 10 et 250 W.

FIGURE 4 : Qurbes de réponse piézo- électrique des jauges WF2 entre 10 et 80 k W .

. O I ~ c / c ~ ' ) ^="des ^Thomson.

.

cible en verre +cible m dumne ocible en wwre

O (r (kbar)

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JOURNAL DE PHYSIQUE

v - DISCUSSION

On observe sur la Figure 4 que la sensibilité apparente des jauges I.S.L. est s$- rieure à celle des jauges Thonson. Ceci est une conséquence directe des niveaux différents de polarisation rémanente des jauges, respectivement égaux à P r = 8, 4pc/cm2 pour les jauges 1. S .L. et à Pr = 5,3 $/cd pour les jauges n i m o n /2/. L'écart relatif entre les deux murbes de la figure 4, pxr une valeur donnée de la antrainte wrrespond, à 5 % près, à l'écart relatif des niveau de polarisation -ente.

L'étalonnage des jauges nionson a été poursuivi jusqu'à 250 kbar (fig. 5). (3n m s - tate que la quantité de Charges ne croît pas de fapi motone jusqu'au seuil de saturation correspondant au niveau de polarisation r h e n t e Pr = 5,3 pC/aii2. La chute brutale des propriétés piézoélectriques du W2 résulte vraisenblablement des effets conjugués de la pression (dégradation mécanique de la la phase B) et de la tapérature (dépolarisation thermique) sur ce mtériau.

Les résultats obtenus mntrent d'une part que la gamne d'utilisation pratique des jauges PVF2 est environ 0-130 kbar avec une dispersion expérimentale de l'ordre de

it 10 8 , soit le double de la dispersion que présentent les jauges piézorésistives

au mganin dans cette gantne de antrainte /3/, d'autre part une a u t e brutale de l'activité piézoélectrique du RF2 entre 130 et 250 kbar.

/1/ M. PEREZ, Rapport S 84-04 C.E.G., Juillet 1984 (note interne)

/2/ D. 'PDUGNE, Thèse 3e cycle, no 171, Institut National Polytechnique de Toulouse.(1983).

/3/ M. PEREZ, Thèse Docteur-Ingénieur, no 714, Université Paul Sabatier Toulouse (1980).

/4/ F. EXEFZ, Piezœlectric and electric properties of polymers under shock wave action. Application to shock transducers, APS Sopical Shock Wave Santa Fé, 1983.

/ 5 / P. mm, B. JIMENEZ, Revue Phyç. Appl. 19 (1984), 609-618.