Development of electrostrictive P(VDF-TrFE-CTFE) terpolymer for inkjet printed electromechanical devices

par Qing Liu

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Jean-Fabien Capsal et de Claude Richard.

Soutenue le 29-11-2016

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA) (laboratoire) et de Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité / LGEF (laboratoire) .

Le président du jury était Xavier Boddaert.

Le jury était composé de Jean-Fabien Capsal, Claude Richard, Xavier Boddaert, Eric Dantras, Zhiyong Liang, Antoine Million, Qiuyu Zhang.

Les rapporteurs étaient Eric Dantras, Zhiyong Liang.

  • Titre traduit

    Développement d'un terpolymère électrostrictif P(VDF-TrFE-CTFE) pour des dispositifs électromécaniques imprimés par jet d'encre


  • Résumé

    Les polymères ferroélectriques et plus récemment les matériaux électrostrictifs ont attiré l’attention de la communauté scientifique en raison de leur capacité de conversion d’une excitation électrique en une réponse mécanique et vice versa. La synergie entre les propriétés électro actives de ces polymères et leurs propriétés physico-chimiques intrinsèques (souplesse, légèreté, grande résistance mécanique, facilité de mise en œuvre etc.) en font des candidats de choix pour des applications de types capteurs et actionneurs souples. Cette thèse vise à déterminer de façon systématique le comportement électromécanique des terpolymères P (fluorure de vinylidène-trifluoréthylène-chlorotrifluoroéthylène) [P (VDF-TrFE-CTFE)] par des techniques de cristallisation et de technologies additives et entend étendre ces terpolymères à l'application des dispositifs de type capteur de force électromécanique. L'influence du traitement thermique sur la réponse électromécanique et la microstructure des terpolymères a d'abord été étudiée. Il a été mis en évidence que la déformation électrostrictive transversale S31 pour chaque terpolymère traité thermiquement suit une loi quadratique avec le champ électrique. Par ailleurs il a été démontré que la déflexion d’un actionneur unimorphe est maximisée pour une fraction de phase cristalline de 39,3%. La dynamique moléculaire des terpolymères cristallisés a également été étudiée par spectroscopie diélectrique à large bande. Une dynamique segmentaire contrainte a été observée dans le terpolymère contenant la fraction cristalline la plus élevée pour laquelle une distribution étroite du temps de relaxation a été mise en évidence. En outre, il a été démontré que l’ajout d’agent plastifiant permet d’augmenter de manière significative la réponse électromécanique des terpolymères fluorés, ouvrant la voie vers de nouveaux matériaux électrostrictifs hautes performances fonctionnant sous faible champ électrique. De plus, la réponse diélectrique et électromécanique accrue du terpolymère dopé a été étudiée par microscope à force atomique et spectroscopie diélectrique dynamique. Ces analyses ont permis de lier l’augmentation de la réponse électromécanique de ces mélanges à un effet de polarisation interfaciale intensifié lors de l’augmentation de mobilité moléculaire de la phase amorphe rigide de ces terpolymères fluorés. Enfin, des dispositifs électromécaniques basés sur le polymère ferroélectrique P (VDF-TrFE) et le terpolymère électrostrictif P (VDF-TrFE-CTFE) ont été élaborés. Un procédé de fabrication additive utilisant la technologie d'impression jet d'encre a permis de concevoir et valider la faisabilité de réalisation de capteurs de force dynamique. Il a alors été démontré que les propriétés pseudo-piézoélectriques du terpolymère électrostrictif sont équivalentes à celles du copolymère ferroélectrique pour un faible champ électrique de biais de 7,5 V /μ


  • Résumé

    Electromechanical coupling effect has been paid the increasing attention due to ability to realize conversion between electric excitation and mechanical response and vice versa. Thanks to their flexibility, light weight, relatively low mechanical strength, ease of processability into large-area films, and ability to be molded into desirable geometric dimensions, polymers materials which possess an electromechanical coupling effect have been emerging recently. This thesis aims to systematically determine the electromechanical behavior of the P(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene) [P(VDF-TrFE-CTFE)] terpolymers via crystallization and additive technology approaches and intend to extend such terpolymers to the electromechanical force sensor devices application. The influence of the thermal processing on the electromechanical response and microstructure of the terpolymers were firstly investigated. Cantilever unimorph bending measurement found the tip displacement δ and transverse strain S_31 for each thermally treated terpolymer followed a quadratic correlation with the electric field. δ was maximized at a 39.3% crystal content, instead of S_31 peaking at lowest crystal content, showing an exponential decay against the crystal fraction increasing. The dynamics of crystallized terpolymers were additionally studied via broadband dielectric spectroscopy. Constrained segmental dynamics was observed in the terpolymer containing the highest crystal fraction for which a narrow relaxation time distribution was found. Moreover, the enhanced dielectric and electromechanical response of DEHP doped terpolymer were interpreted via morphology microstructure and molecular mobility analysis. Interfacial polarization shifted to the high frequency by one decade because of dopant DEHP. Finally, electromechanical devices based on ferroelectric P(VDF-TrFE) and electrostrictive P(VDF-TrFE-CTFE) towards the dynamic force sensor implementation were designed and fabricated via inkjet printing technology. The bias electric field for terpolymer sensor was much lower than the poling electric field for a copolymer sensor. And the piezoelectric properties equivalent to the corresponding copolymer sensor can be obtained for a bias as low as 7.5 V/μ


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