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

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.

L’approche multi-échelle, multidisciplinaire et multiphysique de FIESTA a permis de démontrer l’intérêt des transitions de phase induites par la contrainte pour la conversion électromécanique. Le projet a ainsi mis au jour de nouvelles propriétés et potentialités d’application de matériaux, guidé par des outils d’analyse et de caractérisation spécifiquement développés. Combiné au large spectre d’expertise du consortium du projet, les applications à la récupération d’énergie et aux filtres acoustiques ont été démontrées.

Matériaux

FIESTA a ciblé le KTN car il présente des transitions près de la température ambiante. Différentes compositions de KTN ont été étudiées afin d'avoir une vue d'ensemble des caractéristiques dans les différentes structures cristallographiques. Les caractérisations associées (XRD, Raman, EDS, MEB, Brillouin) ont confirmé la possibilité, au travers de la sélection d’une composition adaptée, d’obtenir une transition de phase autour de 20°C, facilitant l’effet d’une transition par application d’une contrainte mécanique.

Modeling and characterization

Une modélisation sur la base de la théorie de Landau-Devonshire a été mise en œuvre, incluant l’effet de la température, du champ électrique et des contraintes. Sa validation au travers d’un banc spécifique a permis d’estimer les densités d’énergie par cycles d’Ericsson sur un panel de matériaux. L'utilisation du régime non-linéaire et des transitions de phase a montré des densités d’énergie très importantes (>100 mJ/cycle), ainsi qu’un effet de convergence des performances sous hautes sollicitations.

Application à la récupération d’énergie

Un système mécanique pour convertir la force d'entrée exercée par une personne marchant sur le prototype en une grande contrainte mécanique a montré une énergie de sortie allant jusqu'à deux décades au-dessus des énergies typiques de la littérature. Des interfaces électriques spécifiquement conçues ont permis de conserver ces performances en termes d’énergie récupérée. D’autres approches ont également été envisagées, tels qu’un système d’impact, fonctionnant cette fois-ci à haute fréquence.

Application aux filtres acoustiques

Un dispositif à base d’électrodes interdigitées à été développé. La caractérisation indique un TCF (coefficient de température de fréquence) extrêmement élevé par rapport à d'autres matériaux acoustiques, et a confirmé un effet de saut de fréquence significatif induit par les transitions de phase. Afin d’obtenir ces dernières par l’application d’une contrainte, le résonateur a été assemblé par collage en surface d’une éprouvette en acier trempé, dont la déformation permet d’application la contrainte au matériau.

FIESTA a permis de dégager de nouvelles voies de recherche dans chacune des disciplines étudiées, mais également au niveau des interfaces entre ces domaines, dans une vision scientifique et applicative globale.

L’étude des matériaux a montré des différences significatives entre bas et forts niveaux (champ électrique et contrainte), pavant des voies d’analyses et de développements futurs pour identifier précisément les phénomènes afin de pouvoir sélectionner les matériaux les mieux adaptés à des conditions données. L’interaction de trois domaines de la physique (mécanique, électrique et thermique) sur les transitions de phase est une opportunité formidable dans le cadre de la récupération multi-sources, où il est important de s’assurer que la synergie entre ces sources. S’agissant de l’élaboration de matériaux KTN, il convient de ne pas sous-estimer la complexité et le temps nécessaire pour mener à bien une telle étude, visant à obtenir des matériaux à très forte densité d’énergie convertie par cycle.

Au-delà de la composition des matériaux, être capable de pouvoir utiliser le matériau dans différentes orientations permettrait de pouvoir se placer, dans des configurations différentes selon les conditions mécaniques, thermiques et électriques d’excitation.

Le dispositif de mise sous contrainte des filtres acoustiques permettra l’obtention de résultats expérimentaux précis concernant les niveaux de déformation nécessaires pour obtenir de larges sauts de fréquence grâce aux aux transitions de phase induites mécaniquement, recherches sur lesquelles nous n’avons trouvé aucune trace dans la littérature. Ceci conduira à la définition de voies appropriées pour aller vers un dispositif entièrement intégré.

La conception de filtres basés sur le niobate de potassium (KN) pourrait être envisagée, car ce matériau offre non seulement une excellente stabilité thermique de la fréquence à proximité de la transition de phase, mais aussi un couplage électromécanique très élevé. Notamment, le développement de couches minces de KN est une piste prometteuse, bien que délicate, pour une production à grande échelle.

A partir du démonstrateur de récupération d’énergie réalisé dans FIESTA, l’étape suivante pourra consister à développer des dispositifs a plus petites échelles. Ceci pourra inclure la miniaturisation de l’amplification de contrainte (par exemple par des bras de levier 2D), l’utilisation de la flexion ou via des impacteurs, dont un banc de test préliminaire a été développé dans le cadre du projet.

L’interface électrique a contribué à l’obtention de niveaux d’énergie convertis sans précédent, grâce à l’utilisation de convertisseurs auto-synchrones. L’extension des architectures développées dans FIESTA est une piste attractive. De nouvelles approches combinant cycles triangulaires et rectangulaires, étudiées dans le cadre de FIESTA, constituent de nouvelles pistes très prometteuses, alliant performance et simplicité.

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.