Formulation of electrostrictive materials for vibrational energy recovery and development of high sensitivity stress sensors
Formulation de matériaux électrostrictifs pour la récupération d'énergie vibrationnelle et le développement de capteurs de pression à haute sensibilité
Résumé
The goal of this thesis is to leverage soft matter for the development of electrostrictive composite materials for use in vibrational energy recovery and high sensitivity pressure sensors. An emulsion approach is proposed for making composites and incorporating conductive particles such as grapheme foils or carbon black particles into an elastic polymeric matrix made of polydimethylsiloxane (PDMS). This original approach allows controlling the dispersion of the charges and the microstructure of the composites. The dielectric properties of these materials are controlled by the type of charges, their concentration, and their dispersion path. Optimization of formulation levers makes it possible to achieve very high dielectric permittivity values (ε_r^'≈182 at 100 Hz) for polymer composites. The materials developed during this work have been used successfully in vibrational energy recovery devices. In combination with an insulating layer, the studied structures have a high effective relative dielectric permittivity with a very low effective conductivity (up to 2,53 10-8 S.m-1). We have developed an experimental device to measure the electrostriction of materials and to quantify the generation of electrical energy in response to mechanical vibrations. A power density of 0.38 W m-3 was measured for mechanical excitations of 100 Hz. For real-life use of electrostrictive materials and their use as an ambient mechanical energy harvester, we incorporated them into vibrating beam structures cantilevered. Thanks to the flexibility of these structures and their low resonance frequency, we managed to recover 0.4 W.m-3 for a mechanical excitation of 25 Hz. In the last part of our work, we focused our attention on high sensitivity pressure sensors, necessary for long-term cardiac monitoring and for the natural interaction of robots with humans. We demonstrate that our electrostrictive composite materials can be integrated into these flexible pressure sensors. The reported performance in terms of pressure sensitivity is above that of the literature. We illustrate the performance of our materials by successfully using them to continuously and non-invasively record the pulse waves of a radial artery.
L’objectif de ces travaux de thèse est de mettre à profit la matière molle pour le développement de matériaux composites électrostrictifs en vue de leur utilisation à des fins de récupération d’énergie vibrationnelle et de capteurs de pression haute sensibilité. Une approche par voie émulsion est proposée pour la réalisation de composites afin d’incorporer des particules conductrices telles que feuillets de graphème ou des particules de noir de carbone dans une matrice polymère élastique faite de polydimethylsiloxane (PDMS). Cette approche originale permet de contrôler la dispersion des charges et la microstructure des composites. Les propriétés diélectriques de ces matériaux sont contrôlées par le type de charges, leur concentration et leur voie de dispersion. L’optimisation de leviers de formulation permet d’atteindre des valeurs de permittivité diélectrique très élevées (εr'≈182 à 100 Hz) pour des composites polymères. Les matériaux développés au cours de ces travaux ont été utilisés avec succès dans des dispositifs de récupération d’énergie vibrationnelle. En combinaison avec une couche isolante, les structures étudiées présentent une permittivité diélectrique relative effective élevée avec une très faible conductivité effective (jusqu’à 2,53 10-8 S.m-1). Nous avons développé un dispositif expérimental permettant de mesurer l’électrostriction des matériaux et de quantifier la génération d’énergie électrique en réponse à des vibrations mécaniques. Une densité de puissance de 0,38 W.m-3 a été mesurée pour des excitations mécaniques de 100 Hz. Pour l’utilisation en conditions réelles des matériaux électrostrictifs et leur utilisation en récupérateur d’énergie mécanique ambiante, nous les avons intégrés dans des structures vibrantes de poutre en porte-à-faux. Grâce à la flexibilité de ces structures et à leur faible fréquence de résonnance, nous avons réussi à récupérer 0.4 W.m-3 pour une excitation mécanique de 25 Hz. Dans la dernière partie de nos travaux, nous avons porté notre attention sur les capteurs de pression haute sensibilité, nécessaire pour la surveillance cardiaque à long terme et pour l’interaction naturelle des robots avec les humains. Nous démontrons que nos matériaux composites électrostrictifs peuvent être intégrés dans ces capteurs de pression souple. Les performances rapportées en termes de sensibilité à la pression sont au-dessus de celles de la littérature. Nous illustrons les performances de nos matériaux en réussissant à les utiliser pour enregistrer de manière continue et non invasive des ondes de pouls d’une artère radiale.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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