Matériaux magnétostrictifs de nouvelle génération pour l’énergie

par Valentin Issindou

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Bernard Viala et de Orphée Cugat.

Le président du jury était Frédéric Mazaleyrat.

Le jury était composé de Jérôme Delamare, Philippe Basset, Leticia Gimeno Monge, Rose-Marie Sauvage.

Les rapporteurs étaient Nicolas Tiercelin.


  • Résumé

    Ces dernières années, les performances des matériaux multiferroïques ont beaucoup progressé avec les composites à deux phases : magnetostrictive et piézoélectrique. Les composites utilisent le couplage entre le magnétisme et la piézoélectricité par le biais de la magnétostriction. On obtient ainsi le contrôle de l’aimantation par le champ électrique électrique et à l’inverse celui de la polarisation électrique par un champ magnétique (ce qui nous intéresse ici). Cela pousse l’électronique vers des solutions plus vertueuses pour l’environnement avec une baisse de la consommation électrique des circuits (les commandes en courant sont remplacées par des commandes en tension) et le remplacement des piles d’alimentation, qui doivent être changées périodiquement, par des systèmes de récupération d’énergie pérenne. La récupération d’énergie est très présente avec l’Internet des Objets (IoT). Malgré leur performance, ces composites restent perfectibles, notamment au niveau de la phase magnetostrictive. Son optimisation est indispensable. Le matériau courant est le Terfenol-D à cause de sa magnétostriction géante, dans sa forme massive et monocristalline. Ce matériau historique demeure rare, cher, fragile et son procédé de tirage n’est pas adapté à la fabrication de dispositifs miniatures. Ce travail a donc porté sur l’étude comparative des voies de fabrication de disques miniatures de Terfenol-D pour la réalisation de récupérateurs d’énergie. Une étude de fond a été menée sur des séries de disques découpés dans des lingots d’alliages commerciaux (monocristallins et polycristallins). Ensuite, nous sommes tournés vers la méthode du frittage isotrope de poudre avec très peu de recul sur ce matériau. Le frittage conventionnel a conduit aux premiers disques fonctionnels sans découpe mais manquant de densité et de tenue mécanique. Ces défauts ont ensuite été corrigés grâce à la technique de SPS (Spark Plasma Sintering) mais la reproductibilité dans le temps reste à améliorer. Les disques de Terfenol-D (découpés et fabriqués) ont été assemblés avec la phase piézoélectrique (PZT commercial). Des caractérisations électriques par la méthode sans contact ont validé leur aptitude à récupérer de l’énergie, en proportion moindre quand on le compare au Terfenol-D monocristallin comme attendu, mais en quantité suffisante pour les applications ciblées. Enfin, une solution alternative a été explorée avec l’alliage magnétique à mémoire de forme NiMnGa offrant de très grandes déformations. Une perspective vers un bouton poussoir autonome sans fil est présentée en toute fin.

  • Titre traduit

    Magnetostrictive materials for energy


  • Résumé

    In recent years, performances of multiferroïc materials have considerably improved with two-phase composites: magnetostrictive and piezoelectric. These composites take advantage of the coupling between magnetism and piezoelectricity through magnetostriction. Thus they allow control of magnetization with electrical voltage, and conversely, to get an electrical polarization depending on the magnetic field (our focus in this case). This drives electronics towards more environmental friendly solutions, namely with lower circuit power consumption (current controls are replaced by voltage controls) and the replacement of batteries, which must be periodically changed, by sustainable energy harvesting systems. Energy harvesting solutions are popular with the Internet of Things (IoT). Despite their performance, these multiferroïc composites remain perfectible, especially regarding the magnetostrictive phase. Its optimization is essential. The common material is Terfenol-D because of its giant magnetostriction, used in its massive and monocrystalline form. This material remains rare, expensive, fragile and its growing method is not adapted to the manufacturing of miniature devices. This work focuses on a comparative study of Terfenol-D miniature disk manufacturing pathways for the production of energy harvesters. A benchmark study was carried out on a series of disks cut in commercial alloy ingots (monocrystalline and polycrystalline). Next, the isotropic powder sintering method was investigated with very little background on this material. Conventional sintering led to the first functional disks needing no ulterior machining but with low density and mechanical strength. These defects were then corrected using the SPS technique (Spark Plasma Sintering) but the reproducibility over time has yet to be improved. The Terfenol-D disks (both cut and manufactured) were assembled with the piezoelectric phase (commercial PZT). Electrical characterizations using a contactless method have validated their potential to harvest energy, in lesser amounts than monocrystalline Terfenol-D as expected, but in a large enough quantity regarding most of applications. Finally, an alternative solution has been explored with NiMnGa shape magnetic alloys offering very large deformations. A perspective to a wireless autonomous push button prototype is presented at the very end.


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