Fibres composites piezoélectriques – POETICS

Les dispositifs électroniques de faible puissance (capteurs autonomes, microrobots, téléphone portable, capteurs médicaux, procédés industriels, habitat, etc) sont appelés à nous accompagner quotidiennement. L'utilisation de batteries n'est pas toujours possible pour alimenter ces appareils. Elles ont des temps de vie limités, et nécessitent une intervention pour être remplacées. Compte tenu de la faible consommation des dispositifs électroniques actuels, il devient envisageable de faire fonctionner ces appareils en récupérant l'énergie disponible dans le milieu ambiant (lumière, thermique, mécanique). L'énergie mécanique présente dans les vibrations ambiantes ou biomécaniques, typiquement des centaines de µW/cm3 à quelques mW/cm3, serait suffisante pour alimenter les réseaux de capteurs de sans-fil actuels. Plusieurs démonstrateurs pour récolter l’énergie mécanique par piézoélectricité sont apparus ces dernières années. A Londres, une discothèque exploite la technologie piézoélectrique (PZ) sur sa piste de danse. Aux USA, la DARPA équipe ses soldats de chaussures avec des générateurs PZ de façon à les rendre plus autonomes. Ces applications ne sont pas encore commerciales, mais les analyses par IDTechEx prévoient que le marché de la récupération d'énergie par dispositifs PZ devrait se développer, et atteindre 800 Mo $US dollars dans les 10 prochaines années. Ce démarrage est difficile car jusqu'à présent, la plupart des démonstrateurs réalisés reposent sur l'utilisation de petits cristaux PZ ou de films minces. Des améliorations de performances sont obtenues par l’utilisation de fibres céramiques PZ. Ces fibres sont malheureusement fragiles et ne peuvent être intégrées dans des structures souples ou de grande taille. Il n'existe pas actuellement de matériaux PZ souples, légers, résistants mécaniquement et efficaces comme requis pour une récupération viable d’énergie mécanique.
Le projet POETICS va permettre de surmonter cet obstacle avec une nouvelle génération de fibres PZ. Ces fibres auront une structure composite et combineront la souplesse de polymères organiques aux performances élevées de matériaux PZ inorganiques. Elles permettront une manipulation aisée et pourront être intégrées dans les textiles, les composites, et diverses structures de notre environnement. Contrairement aux projets concurrents, nous allons utiliser une technique de filage par voie humide. Elle nous permettra de préparer des fibres contenant une forte densité de particules PZ fortement anisotropes pour maximiser les interactions entre la matrice polymère des fibres et les inclusions inorganiques. Ce point est un élément clé pour atteindre de grands coefficients de couplage et de hautes performances mécaniques, avec des fibres ayant un module d’Young supérieur à 5 GPa et une résistance à la rupture d'au moins 1 GPa. De plus, compte tenu de leur structure unique faite de nanoparticules PZ concentrées et orientées, les fibres constitueront des objets idéaux pour répondre aux questions fondamentales aujourd’hui très controversées concernant les effets de confinement, de taille finie, et de surface sur les propriétés ferroélectriques et PZ de nanoparticules.
Pour atteindre les objectifs ambitieux du projet POETICS, nous avons rassemblé une équipe multidisciplinaire de chimistes (ICMCB) et physico-chimistes (CRPP) qui couvrira des travaux allant de la synthèse de particules PZ à un démonstrateur de conversion d’énergie en passant par la fabrication des fibres et la caractérisation de leurs propriétés. Les nouvelles fibres seront produites de l’échelle de laboratoire, à une échelle pilote sur une ligne de filage multifilaments continue avec l'aide d'une plate-forme technologique (CANOE) agissant en tant que sous-traitant. Cette extension permettra des caractérisations macroscopiques et la validation de la technologie avec la réalisation d’un démonstrateur de récupération d'énergie vibratoire.