CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Transitions Ferroélectrique-Ferroélectriques Induites par la Contrainte pour Applications dans les Capteurs et la Récupération d’Energie – FIESTA

Tirer parti des transitions non-linéaires pour des microgénérateurs performants et des filtres adaptatifs

FIESTA propose d’étudier l’applicabilité des transitions ferro-ferro induites par la contrainte dans les matériaux ferroélectriques avec deux applications-cibles : des filtres acoustiques avec saut de bande et des récupérateurs d’énergie basse échelle pour les systèmes auto-alimentés. L’intérêt du projet repose à la fois sur des besoins socio-économiques (sources d’énergie durable, intégration…) et les questionnements scientifiques associés.

Les transitions de phase dans les ferroélectriques : d’un caractère non désiré vers un atout pour la récupération d’énergie à petite échelle et les filtres acoustiques accordables

FIESTA propose une approche transdisciplinaire et une recherche scientifique originale liée aux défis sociétaux. Le projet englobe tous les domaines associés, du matériau à l’application en passant par les aspects mécaniques et électriques. Le cœur de FIESTA est notamment de transformer ce qui est classiquement considéré comme une limitation (transitions de phase dans les ferroélectriques) en avantage pour obtenir des filtres à saut de bande ainsi que des microgénérateurs efficaces (gain d’une décade). Les objectifs du projet visent à étudier ces transitions de phase et les combiner avec les aspects mécaniques et électriques pour l’obtention de systèmes globalement optimisés. Les interfaces entre chaque discipline seront d’une importance capitale afin d’assurer des avancées scientifiques de première importance. En particulier, la combinaison des non-linéarités intrinsèques du matériaux avec celles rapportées par l’interface électrique via la structure mécanique, conduisant à des non-linéarités multi-échelles, est un aspect innovant de FIESTA.<br />FIESTA procurera aussi des avancées significatives dans chacun des domaines scientifiques. Sur l’aspect matériau, proposant un socle commun aux autres axes, la compréhension des mécanismes de transitions par la contrainte permettra le développement de matériaux pertinents. Le projet englobera céramiques et cristaux (films), notamment à base de KTN dont la température de Curie proche de l’ambiante facilite la transition, ainsi que les polymères (PVDF et dérivés) nécessitant des contraintes réduites. D’un point de vue mécanique, des structures permettant de convertir une déformation en forte contrainte seront développées. Tirant partie des propriétés uniques des matériaux développés, les aspects électriques s’attacheront au développement de convertisseurs auto-synchrones originaux permettant des cycles énergétiques vertueux, tout en assurant un démarrage à froid grâce à la polarisation rémanente après transition.

L'approche transdisciplinaire et globale comprend des aspects matériaux, mécaniques et électriques, interagissant pour une co-conception réussie. Le projet est décomposé en un Work Package administratif («WP» - WP0: Gestion de projet), 3 WP scientifiques (WP2: Sélection, élaboration et optimisation des matériaux, WP3: Conception de la structure et WP4: Interface électrique) et 2 WP techniques (WP1: Spécifications et besoins et WP5: Intégration et démonstration) situés en amont et en aval des WP scientifiques. Les WP incluent tous les partenaires car ils présentent de nombreuses interactions (avec une attention particulière pour éviter les blocages) pour assurer un déroulé du projet fluide :
- Interfaces WP2 (matériau) et WP3 (structure) : les caractéristiques mécaniques et structurelles du matériau (conditions de transition, contrainte max, dimensions…) seront fournies pour concevoir correctement la structure. À l'inverse, les contraintes du WP3 guideront la sélection et l'élaboration des matériaux du WP2.
- Interfaces WP2 (matériau) et WP4 (interfaces électriques) : les caractéristiques électriques du matériau (constantes diélectriques, claquage…) fourniront des lignes directrices pour la conception électrique dans le WP4. Les exigences de circuit du WP4 (capacité et variations minimales, tension de fonctionnement…) aideront à la conception des matériaux. Les interactions croisées en termes de non-linéarités intrinsèques matérielles et de non-linéarités apportées par le circuit (produisant des non-linéarités multi-échelles) seront au cœur de cette interface.
- Interfaces WP3 (structure) et WP4 (interfaces électriques) : les caractéristiques au niveau du système (capacités et leurs variations, tension de sortie…) guideront le développement de l'interface électrique. Les caractéristiques de ce dernier (impédance d'entrée, conditions de démarrage…) aideront à la conception de la structure.

Le projet ayant démarré très récemment, cette partie est encore à construire !

Projet transdisciplinaire, FIESTA offrira des résultats multi-niveaux (matériaux, structure, interfaces électriques). Ceci inclue une compréhension fine des effets de la composition et du procédé sur les transitions induites par la contrainte. Visant à atteindre facilement ces transitions, FIESTA offre une approche disruptive tirant parti de ce qui est généralement considéré comme une limitation. Sur le plan structurel, des architectures convertissant une déformation en une contrainte élevée seront proposées pour un meilleur accord entre l’application et le matériau. Sur le plan électrique, les convertisseurs synchrones présentent des avantages significatifs pour répondre à une limitation importante des dispositifs passifs : la nécessité d'une polarisation externe. Leur extension aux ferroélectriques est une étape vers des microgénérateurs intégrables.
Le projet propose également une approche systémique englobant les aspects matériaux, structurels et électriques. La combinaison de convertisseurs synchrones avec les transitions de phase dans les matériaux, conduisant à des opérations non triviales du fait de leurs interactions à travers le milieu mécanique, ainsi que des non-linéarités croisées, en est un exemple. Cette approche globale fournira des connaissances importantes aux interfaces, produisant des résultats de pointe et des ouvertures sur les matériaux, les structures et les interfaces électriques. FIESTA est par essence défini par cette notion, en proposant d'obtenir une contrainte de transition plus faible, généralement considérée comme une dégradation mais finalement améliorant considérablement le système.
FIESTA affiche également une forte volonté de formation par la recherche. Cela façonnera ainsi la prochaine génération de chercheurs capables de penser en dehors de leur propre domaine.
Enfin, FIESTA vise à relever les défis socio-économiques. Des démonstrateurs dédiés à la récupération d'énergie et aux filtres de télécommunication seront ainsi proposés.

Le projet ayant démarré très récemment, cette partie est encore à l’étude !

FIESTA propose d’étudier l’applicabilité des transitions ferro-ferro induites par la contrainte dans les matériaux ferroélectriques avec deux applications-cibles : des filtres acoustiques avec saut de bande et des récupérateurs d’énergie basse échelle pour les systèmes auto-alimentés.
L’intérêt du projet repose à la fois sur des besoins socio-économiques et les questionnements scientifiques associés. Concernant le premier aspect, l’avènement de nouvelles voies de télécommunication (5G ou Internet des Objets par exemple) a confirmé les enjeux d’intégration et d’alimentation énergétique. Plus précisément, la réduction du nombre de filtres requis pour la sélection fréquentielle améliorerait drastiquement l’intégration tout en réduisant la consommation. Parallèlement, la récupération d’énergie, qui vise à fournir une source d’énergie viable et durable lorsque les piles conventionnelles ne peuvent satisfaire à ces critères (environnements isolés/confinés ou relativement sévères), a pris de l’importance avec la diffusion de réseaux de capteurs sans fils. Cependant, les puissances de sortie ne permettent pas toujours d’assurer des opérations fiables.
Pour contrer ces limitations, FIESTA propose une approche transdisciplinaire et une recherche scientifique originale liée aux défis sociétaux. Le projet, découpé en trois Work Packages scientifiques et deux techniques, englobe tous les domaines associés, du matériau (WP2) à l’application (WP1, WP5) en passant par les aspects mécaniques (WP3) et électriques (WP4). Le cœur de FIESTA est notamment de transformer ce qui est classiquement considéré comme une limitation (transitions de phase dans les ferroélectriques) en avantage pour obtenir des filtres à saut de bande ainsi que des microgénérateurs efficaces (gain d’une décade). Les objectifs du projet visent à étudier ces transitions de phase et les combiner avec les aspects mécaniques et électriques pour l’obtention de systèmes globalement optimisés. Les interfaces entre chaque discipline seront d’une importance capitale afin d’assurer des avancées scientifiques de première importance. En particulier, la combinaison des non-linéarités intrinsèques du matériaux avec celles rapportées par l’interface électrique via la structure mécanique, conduisant à des non-linéarités multi-échelles, est un aspect innovant de FIESTA.
FIESTA procurera aussi des avancées significatives dans chacun des domaines scientifiques. Sur l’aspect matériau, proposant un socle commun aux autres axes, la compréhension des mécanismes de transitions par la contrainte permettra le développement de matériaux pertinents. Le projet englobera céramiques et cristaux (films), notamment à base de KTN dont la température de Curie proche de l’ambiante facilite la transition, ainsi que les polymères (PVDF et dérivés) nécessitant des contraintes réduites. D’un point de vue mécanique, des structures permettant de convertir une déformation en forte contrainte seront développées (flextenseurs inversés ou à travers d’impacts incluant des mécanismes de conversion de fréquence). Tirant partie des propriétés uniques des matériaux développés, les aspects électriques s’attacheront au développement de convertisseurs auto-synchrones originaux permettant des cycles énergétiques vertueux, tout en assurant un démarrage à froid grâce à la polarisation rémanente après transition.
Les partenaires du consortium de FIESTA possèdent une expertise internationalement reconnue ainsi qu’une expérience solide en gestion de projet. Ils présentent également une forte volonté, démontrée et pertinente, de promouvoir une recherche transdisciplinaire, avec une excellente connaissance des interfaces entre les disciplines.
Les retombées de FIESTA englobent à la fois des aspects résolument scientifiques originaux, au travers d’innovations transdisciplinaires ainsi que dans chacun des champs concernés, tout en promouvant leurs applications dans des dispositifs liés aux défis actuels dans le domaine de l’énergie.

Coordination du projet

Mickaël LALLART (LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

EA682 LABORATOIRE DE GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE
FEMTO-ST INSTITUT FRANCHE-COMTE ELECTRONIQUE MECANIQUE THERMIQUE ET OPTIQUE - SCIENCES ET TECHNOLOGIES
ELyTMaX Science & Engineering Lyon, Tohoku Materials & systems under eXtreme conditions
UPSaclay - C2N Universitté Paris-Saclay - C2N

Aide de l'ANR 579 136 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2020 - 42 Mois

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