Multi-functional nanocomposites for the mechanical actuation and magnetoelectric conversion

par Jiawei Zhang

Thèse de doctorat en Electronique-Electrotechnique-Automatique

Sous la direction de Laurent Lebrun et de Benoît Guiffard.

Le président du jury était Daniel Guyomar.

Le jury était composé de Laurent Lebrun, Benoît Guiffard, Daniel Guyomar, Colette Lacabane, Yves Bernard, François Bauer.

Les rapporteurs étaient Colette Lacabane, Yves Bernard.

  • Titre traduit

    Nanocomposites multifonctionnels pour l'actionnement mécanique et la conversion magneto-électrique


  • Résumé

    L’effet magnétoélectrique (ME) se traduit par la possibilité d’induire une magnétisation à l’aide d’un champ électrique (effet direct) ou celle d’induire une polarisation électrique à l’aide d’un champ magnétique (effet inverse). Les composites laminés qui possèdent de grands coefficients ME ont généré beaucoup d’intérêt dans le domaine des capteurs, des modulateurs, des interrupteurs et des inverseurs de phase. Dans cette thèse, nous présentons les performances de composites dits laminés à deux ou trois couches. Il a été montré que l’on pouvait obtenir des performances en conversion magnéto-électrique directe en associant des phases magnétostrictives et piézoélectriques. Une modélisation de leur comportement basée sur un oscillateur mécanique a été proposée. Elle a été en particulier utilisée pour simuler le couplage mécanique entre deux couches. Une autre approche pour développer des dispositifs originaux a consisté à utiliser un champ magnétique alternatif pour induire des courants de Foucault dans des électrodes métalliques et une Force de Lorentz en présence d’un deuxième champ magnétique continu. Si ces électrodes recouvrent un matériau piézoélectrique, la force de Lorentz sera alors convertie en signal électrique suivant l’effet direct. Cette approche permet donc de développer des dispositifs de conversion électromagnétique sans phase magnétique. Différents prototypes utilisant un bimorphe piézoélectrique, un film de PVDF et une céramique piézoélectrique ont été réalisés et caractérisés. Un signal électrique proportionnel à la composante continue du champ magnétique a été mis en évidence, ce qui ouvre des applications pour la détection magnétique. Cette thèse s’est également intéressée à l’augmentation du coefficient d’électrostriction par injection de charges électriques en utilisant la technique de décharge Corona. Cette étude a été réalisée sur du polypropylène, connu pour sa capacité à stocker des charges électriques. Le mécanisme de stockage de charge et l’effet sur l’électrostriction ont été étudiées par la mesure du potentiel de surface, la mesure des courants thermo-stimulés, la calorimétrie différentielle et l’interférométrie Laser. L’injection de charges a contribué à une augmentation de la permittivité et par la même à celle du coefficient d’électrostriction, en accord avec un modèle simple de distribution de charges dans l’échantillon.


  • Résumé

    Magnetoelectric (ME) interactions in matter correspond to the appearance of magnetization by means of an electric field (direct effect) or the appearance of electric polarization by means of a magnetic field (converse effect). The composite laminates which possess large ME coefficient, have attracted much attention in the field of sensors, modulators, switches and phase inverters. In this thesis, we report on the ME performances of the bi- and tri- layered composites. It is shown that their ME couplings can be achieved by combining magnetostrictive and piezoelectric layers. A model based on a driven damped oscillation is established for the piezoelectric/magnetostrictive laminated composite. It is used to simulate the mechanical coupling between the two layers. In addition, we report that the ME coupling can be achieved without magnetic phase but only with eddy current induced Lorentz forces in the metal electrodes of a piezoelectric material induced by ac magnetic field. The models based on the Lorentz effect inducing ME coupling in PZT unimorph bender, polyvinylidene fluoride (PVDF) film and PZT ceramic disc are thus established. The results show the good sensitivity and linear ME response versus dc magnetic field change. Thus, the room temperature magnetic field detection is achievable using the product property between magnetic forces and piezoelectricity. Besides, we report on the electrostrictive performance of cellular polypropylene electret after high-voltage corona poling. We use the Surface Potential test, Thermal Stimulated Depolarization Current experiment and Differential Scanning Calorimetry experiment to analyse its charge storage mechanism. The result show that the electrostrictive coefficient and relative permittivity of the charged samples increase. Last but not least, in order to explain this phenomenon, a mathematic model based on the charged sample has been established.


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