Caracterizarea statică și dinamică a polimerilor electroactivi dielectrici pentru aplicații mecatronice

par Vlad Cârlescu (Cӑrlescu)

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Florin Breaban et de Dumitru Olaru.

Soutenue le 26-11-2013

à l'Artois en cotutelle avec l'Universitatea tehnica "Gheorghe Asachi" (Iaşi, Roumanie) , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur .

Le président du jury était Cezar Oprisan.

Le jury était composé de Florin Breaban, Dumitru Olaru, Cezar Oprisan, Vistrian Mӑties, Eugen Cicala, Mihai Avram, Sorin Ignat, Didier Defer.

Les rapporteurs étaient Vistrian Mӑties, Eugen Cicala.

  • Titre traduit

    Caractérisation statique et dynamique des polymères électroactifs diélectriques pour applications mécatroniques


  • Résumé

    Le concept de biomimétisme, ou bionique, publié depuis 1969, étudie des régularités structurelles et fonctionnelles des systèmes vivants afin de leur transfert à la technique. Dans la nature, les mouvements sont réalisés par les muscles, tandis que la technique utilise les moteurs. Malgré l'état avancé des technologies conventionnelles d'actionneurs, tels que les actionneurs hydrauliques, pneumatiques et moteurs électriques, il y a une demande croissante dans les domaines de la mécatronique, robotique et bioingénierie, pour actionneurs électromécaniques avec rendement et déformations élevés, flexibles, légers, haute fiabilité et peu coûteux. La diversité des phénomènes physiques des matériaux intelligents (piézoélectriques, électromagnétiques et magnétostrictif, les alliages à mémoire de forme, électro et magnéto-rhéologique, les alliages ferromagnétiques à mémoire de forme et les polymères électroactifs) ouvrir de nouveaux horizons dans la conception et le développement d'actionneurs non conventionnels. Compte tenu de leur grande adaptabilité, les polymères sont de plus en plus utilisés dans de nombreux domaines. Les capteurs et actionneursà base de polymères est un domaine plus prometteur de polymères intelligents et sont de plus en plus associés à des capteurs et des actionneurs artificiels dans les organismes vivants. Ainsi, depuis les années 90, une attention considérable dans les actionneurs non conventionnels basés à matériaux intelligents à gagné les polymères électroactifs (EAP). Ces matériaux présentent un fort couplage électromécanique et sont par ailleurs très flexibles et très légers. Ils se déforment lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique et peuvent générer un courant ou un champ lorsqu'ils subissent une déformation mécanique. C'est dire qu'ils peuvent être utilisés soit comme actionneurs mécaniques souples, soit en récupération d'énergie sur l'énergie vibratoire. La thèse se divise en sept parties et porte sur la détermination des propriétes diélectriques, mécaniques et électromécaniques de quelques polymères siliconés à base de polydiméthylsiloxane (PDMS) avec des inclusions de SiO2 et TiO2 pour utilisation comme actionneurs dans les applications mécatroniques. Les paramètres diélectriques tels que la constante diélectrique et des pertes diélectriques ont été déterminées par spectroscopie diélectrique présentant des valeurs semblables à celles de la littérature. Les propriétés élastiques ont été étudiées par plusieurs tests mécaniques, tels que traction uniaxiale, compression uniaxiale et tests dans le cas des films circulaires fixés sur les bords et indenté avec pénétrateur sphérique des diamètres différents. Les propriétés électromécaniques des élastomères PDMS-SiO2-TiO2 excités par des tensions continues et alternatives ont été évaluées par des méthodes non destructives, telles que vibrométrie laser à balayage. Aussi, la thèse présente les contributions personnelles sur l'application de la méthode d'analyse par éléments finis (FEA) pour simuler les déformations des élastomères PDMS-SiO2-TiO2 soumis à la traction et compression uniaxiale.

  • Titre traduit

    Static and dynamic characterization of dielectric electroactive polymers for mechatronic applications


  • Résumé

    The concept of biomimetism, or bionics, published since 1969, are studying structural and functional patterns of living to transfer them to technics. In nature, the movements are produced by muscles, while the technique uses the engines. Despite the advanced state of conventional actuation technologies such as hydraulic, pneumatic and electric motors, there is a growing demand in the field like mechatronics, robotics and bioengineering for electromechanical actuators with high performance and deformations, flexible, lightweight, high reliability and low cost. The diversity of physical phenomena in smart materials (piezoelectric, electromagnetic and magnetostrictive, shape-memory alloys, electro and magneto-rheological fluids, ferromagnetic shape memory alloys and electroactive polymers) open new opportunities in the design and development unconventional actuators. Due to their high adaptability, the polymers are used increasingly used in many areas. Sensors and actuators based polymers is a promising field of intelligent polymers and are more associated with artificial sensors and actuators in living organisms. Thus, after ’90, a considerable attention in the unconventional actuators based on smart materials was attract by electroactive polymers (EAPs). These materials have a high electromechanical coupling and are also very flexible and very light They deform when they are subjected to an electric field and can generate a current or a field when subjected to a mechanical deformation. Thus, they can be used either as a flexible sensors ans actuators, or generator. The thesis is divided into seven sections and involve the determination of the dielectric, mechanical and electromechanical properties of some silicone based polydiméthylsiloxane (PDMS) with inclusions of SiO2 and TiO2 for use as actuators in mechatronic applications. The dielectric parameters such as dielectric constant loss were determined by dielectric spectroscopy and showed to be similar to those reported in literature. The elastic properties were studied by several mechanical tests, such as uniaxial tension, uniaxial compression and indentation tests of free-standfing circular films. Electromechanical properties of PDMS-SiO2-TiO2 elastomers excited by CD and AC voltages were evaluated by non-destructive methods, such as scanning laser vibrometry. Also, the thesis presents the personal contributions on the implementation of the finite element analysis (FEA) to simulate the deformation of the PDMS-SiO2-TiO2 elastomers subjected to uniaxial tension and compression.


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