Thèse de Mélanie Girardot

Soutenance de thèse de Mélanie Girardot - laboratoire UMET

Résumé :

Les dispositifs piézoélectriques sont constitués de matériaux capables de convertir une énergie mécanique en énergie électrique (effet piézoélectrique direct) ou une énergie électrique en énergie mécanique (effet piézoélectrique inverse). Ces matériaux peuvent se présenter sous forme de monocristaux, de céramiques ou de polymères. Au cours des dernières décennies, le poly(flurorure de vinylidène) ou PVDF a suscité un intérêt croissant en raison de ses excellentes propriétés mécaniques (flexibilité), ainsi que ses propriétés ferroélectriques et piézoélectriques remarquables, faisant de lui un candidat de choix pour une utilisation dans des capteurs et actionneurs.
Le PVDF est un polymère semi-cristallin polymorphe dont la phase la plus polaire est principalement obtenue par étirage mécanique ou par cristallisation en solution de la phase non polaire la plus stable. Pour éliminer cette étape de post-traitement, un co-monomère fluoré tel que le trifluoroéthylène (TrFE) peut être ajouté au monomère VDF durant la polymérisation, permettant ainsi d’obtenir directement la phase polaire du copolymère P(VDF-co-TrFE) et d’atteindre une réponse piézoélectrique plus élevée.
Un premier objectif de la thèse concerne l’étude des relations entre la structure et les propriétés physiques et notamment piézoélectriques de deux copolymères P(VDF-co-TrFE) présentant des ratios molaires VDF/TrFE de 80/20 et 55/45. Dans un premier temps, une analyse fine de la structure des copolymères a été menée. L’étude approfondie des phases cristallines a été réalisée par diffraction des rayons X aux grands angles (WAXS) in situ lors d’une chauffe en température ou sous étirage et ex-situ pour différentes polarisations de films. La mobilité de la phase amorphe a été sondée par spectroscopie diélectrique dynamique. Et la présence de cristaux secondaires a été mise en évidence par calorimétrie différentielle à balayage (DSC).
Dans un deuxième temps, la réponse piézoélectrique des films de copolymères a été mesurée par l’intermédiaire du coefficient piézoélectrique d33. Une analyse approfondie de l’évolution du d33 en fonction du type de P(VDF-co-TrFE) et de différents paramètres de polarisation a été réalisée. Nos résultats montrent que le P(VDF-co-TrFE) 55/45 présente des propriétés piézoélectriques significativement supérieures à celles du P(VDF-co-TrFE) 80/20 en raison d'une fraction plus élevée de phases défectueuses.
Pour optimiser les propriétés piézoélectriques du P(VDF-co-TrFE), des particules électroactives de BTO (titanate de baryum) peuvent être incorporées à la matrice polymère, formant ainsi un composite flexible aux propriétés piézoélectriques améliorées. Cependant, les nanoparticules de BTO et la matrice P(VDF-co-TrFE) sont connues pour avoir peu d'affinité physico-chimique, ce qui peut entrainer la formation de cavité à l’interface et perturber les propriétés électroactives du composite. Pour améliorer l’interface céramique/polymère, des agents de couplage tels que des dérivés de dopamine peuvent être utilisés. Ces agents de couplage sont capables d’une part d'interagir fortement avec les céramiques BTO grâce à leurs fonctions catéchol et d’autre part de former des liaisons faibles avec la matrice P(VDF-co-TrFE).
Ainsi un second objectif de la thèse porte sur l'impact de différents types d’agents de couplage sur la structure et les propriétés électroactives des composites, ainsi que sur la comparaison de leur efficacité respective. Nos résultats montrent que l'utilisation d'agents de couplage améliore la dispersion des particules de BTO, et que la polarité de ces agents peut significativement influencer les propriétés électroactives des composites.

Mots-clés : Polymère,Piézoélectrique,Composite,phase cristalline,diffraction de rayon X,Electro-activité