Dissertations / Theses on the topic 'P(VDF-TrFE) Piezoelectric polymer'

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Sensoren in einer neuen, großserienfähigen Technologie. Mit dem Mehrkomponentenmikrospritzgießverfahren werden mechanische Sensorstrukturen aus (faserverstärktem) Kunststoff an polymere piezoelektrische Wandler angebunden. Die hergestellten Aufnehmer können über die Weiterverarbeitung mit Hybridtechnologien für die Strukturintegration eingesetzt werden. Diese Dissertation stellt Entwurfsmethoden und Modelle zur Vorausberechnung der neuartigen Sensoren bereit, die zur Qualifizierung der neuen Technologie benötigt werden. Dazu werden bekannte Modellierungsansätze angewandt und wesentliche Erweiterungen für die praktische Nutzung erarbeitet. Entwurfsrelevante technologieabhängige Kenngrößen, wie die elastischen Eigenschaften der verarbeiteten Werkstoffe und die geometrischen Dimensionen der hergestellten Sensorstrukturen werden untersucht und deren Einfluss auf den Entwurfsprozessdargelegt. Die hergestellten Sensoren werden in ihrer Grundfunktion messtechnisch charakterisiert und die System- und Strukturintegration vorgestellt.<br>The presented work describes the development of sensors in a novel technology approach feasible for large-scale production. By using the multicomponent microinjection molding process, mechanical sensor structures out of (fiber-reinforced) polymers are joined with piezoelectric polymer transducers. The fabricated sensors can be processed further with hybrid manufacturing technologies and adapted for structure integration. This thesis introduces design methods and models for the preliminary calculation of the novel sensors, which are required for a technology qualification. Therefore, existing modelling approaches adapted and essentially extended for practical use. Design relevant parameters related to the technology like the elastic properties of the applied materials or the geometric dimensions of the manufactured sensor structures are characterized and the system and structure integration of the sensors is presented.

Au XXIe siècle, les maladies cardiovasculaires sont devenues une cause majeure de mortalité, la première au monde, la deuxième en France après les cancers. En effet, les facteurs de risque cardiovasculaires ont augmenté de façon significative au cours des dernières décennies et ce phénomène se poursuit aujourd'hui. Ces facteurs sont responsables du développement de l’athérosclérose et mènent à des syndromes coronariens aigus, des crises cardiaques, des accidents cérébrovasculaires, des insuffisances rénales mais également à des maladies artérielles périphériques et à des anévrysmes artériels. Le traitement de première ligne de l'athérosclérose, indépendamment du territoire artériel concerné, est le traitement médical. Mais, si malgré le meilleur traitement médical, les symptômes sont importants pour les patients, le traitement interventionnel peut être considéré. Pour les anévrismes et pour la maladie artérielle périphérique, la chirurgie vasculaire est possible. La chirurgie vasculaire peut être divisée en deux catégories : la chirurgie ouverte conventionnelle et les techniques endovasculaires. Au cours des dix dernières années, les techniques endovasculaires sont devenues le traitement de première ligne pour la plupart de ces lésions artérielles. Elles sont devenues le traitement de première ligne, car elles permettent une réduction considérable de la morbi-mortalité chirurgicale et une grande réduction des coûts de santé<br>In the 21st century, cardiovascular diseases became a major cause of mortality, the first in the entire world, the second in France after cancers. Indeed, cardiovascular risk factors have been increasing significantly over the past decades and this phenomenon is ongoing today. These factors cause atherosclerosis and lead to coronary acute syndrome, heart attacks, cerebrovascular accident, renal insufficiency but also to peripheral arterial disease (PAOD) and arterial aneurysms. First line treatment of atherosclerosis, regardless of arterial territory concerned, is medical treatment. But, if despite best medical treatment, symptoms are important for patients, interventional treatment may be considered. For aneurysms and for PAOD, vascular surgery is possible. Vascular surgery can be divided into two categories: conventional open repair (COR) and endovascular techniques (ET). During the last ten years, ET became the first line treatment for most arterial injuries. ET has become the first line treatment because it allows a considerable reduction in surgical morbi-mortality and a great reduction in health costs

Le but de cette thèse était d’étudier des solutions innovantes pour la récupération d’énergie pour pouvoir alimenter de manière autonome les futurs capteurs et nœuds communicants sans fil de l’Internet des Objets (IoT pour Internet of Things). Le travail s’est focalisé sur des matériaux piézoélectriques souples et sur une approche composite et multiphysique. L’objectif est de récupérer de l’énergie à partir de déformations directes ou induites provenant de sources à la fois mécaniques et thermiques et en particulier de sources négligées jusqu’alors (lentes et de faibles intensités). L’idée maitresse est l’hybridation de plusieurs matériaux fonctionnels avec un cœur du système constitué par des microgénérateurs piézoélectriques (et pyroélectriques) imprimés nécessaires à la génération de charges électriques. L’originalité de ce travail est d’avoir réalisé un système de récupération d’énergie entièrement flexible, au format d’une carte de crédit et compatible avec de plus grandes dimensions, en utilisant des copolymères piézoélectriques de P(VDF-TrFE) sous forme d’encres. Ce matériau est flexible et particulièrement résistant, ce qui le rend attractif pour desapplications mettant en jeu formes complexes, notamment, courbes. Un autre avantage du copolymère de P(VDF-TrFE) est qu’il ne nécessite pas de pré-déformation mécanique comme pour le polymère PVDF et il commence à être aujourd’hui disponible sous forme d’encres pour l’électronique imprimée, ce qui simplifiera et réduira les coûts de fabrication à termes.En premier, nous décrivons le procédé de fabrication par sérigraphie des microgénérateurs en P(VDF-TrFE), suivi par les caractérisations ferroélectriques puis piézoélectriques des dispositifs. A cet effet, nous avons développé des techniques de mesures originales en circuit ouvert qui ont été testées et validées au préalable avec des échantillons dePVDF commercial. La dernière étape a été de réaliser un prototype de récupération d’énergie thermique flexible de faible encombrement (sans radiateur). Cela a été réalisé en hybridant les microgénérateurs précédemment fabriqués avec des feuilles d’alliages à mémoire de forme thermique à base de NiTi, qui est un matériau sensible à un seuil de température donnée.Les résultats phares de cette étude sont : 1) le dépôt multicouches de P(VDF-TrFE)combiné au dépôt d’une électrode souple en PEDOT:PSS, β) l’établissement des caractéristiques ferroélectriques et piézoélectriques en fonction de l’épaisseur de P(VDFTrFE) et enfin γ) la détermination d’un coefficient g31 supérieur à la normale avec0.15 V·m/N. Aussi, nous avons démontré la capacité de ces microgénérateurs à délivrer des tensions utiles de l’ordre de 10 V avec ici une densité d’énergie de proche de 500 μJ/cm3, ces valeurs étant limitées aux conditions de test utilisées.Nous concluons ce travail sur une preuve de concept fonctionnelle de récupérateur d’énergie thermique flexible apte à détecter ou utiliser des variations lentes et faibles de température à partir de sources élémentaires, produisant pour l’instant γ7 V (correspondant à95 μJ) à 65 ºC, et qui à termes pourront être l’air ambiant (chaud ou froid) ou la chaleur de la peau<br>This work aims to study innovative solutions for energy harvesting applicable toautonomous wireless sensors for IoT (Internet of Things). It is focused on flexiblepiezoelectric composite materials and a multi-physical approach. The objective is to harvestenergy via strain-induced phenomena from both mechanical and thermal sources, andparticularly sources neglected so far (slow and low). The main idea is the hybridization ofdifferent functional materials with the core of the system being screen printed piezo/pyroelectricmicrogenerators, mandatory to generate electrical charges. The originality of thiswork is to realize large area flexible energy harvesting systems by using ink-basedpiezoelectric copolymers of polyvinylidene fluoride P(VDF-TrFE). This material is veryflexible and durable which makes it attractive for applications in systems with complexshapes. Another benefit of P(VDF-TrFE) is that it does not need to be pre-stretched as PVDFand it is now available in inks for printable electronics which can simplify and reduce theprice of the fabrication process.We first describe the fabrication process of the screen printed P(VDF-TrFE)microgenerators, followed by ferroelectric and piezoelectric characterizations. For thispurpose we have developed optimized methods in open-circuit conditions adapted for flexiblesystems tested and validated on commercial bulk PVDF. The last step was to realize a lowprofile thermal flexible energy harvester prototype (no radiator). It was done by hybridizationof the fabricated microgenerators and foils of shape memory NiTi-based alloy, which is afunctional material sensitive to a given temperature threshold.The key outcomes of this work are: 1) the successful deposition of multilayers ofP(VDF-TrFE) and organic PEDOT:PSS electrode, 2) dielectric, ferroelectric and directpiezoelectric constants reported as a function of film thickness, and 3) the g31 direct voltagecoefficient, measured for the first time, and showing the record value of 0.15 V·m/N. Also,we have demonstrated that in open-circuit conditions, the microgenerators can produce auseful strain-induced voltage of 10 V with an energy density close to 500 μJ/cm3, these valuesbeing limited by the experimental set-up.The concept of thermal energy harvesting composite based on thin film screen printedP(VDF-TrFE) microgenerators was realized and demonstrated to be effective. We concludewith a functional prototype of flexible energy harvester, able to detect non-continuous slowthermal events and producing 37 V (corresponding to 95 μJ) at 65 ºC

Micrometer-sized liquid-crystal (LC) droplets embedded in a polymer matrix may enable optical switching in the composite film through the alignment of the LC director along an external electric field. When a ferroelectric material is used as host polymer, the electric field generated by the piezoelectric effect can orient the director of the LC under an applied mechanical stress, making these materials interesting candidates for piezo-optical devices. In this work, polymer-dispersed liquid crystals (PDLCs) are prepared from poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) and a nematic liquid crystal (LC). The anchoring effect is studied by means of dielectric relaxation spectroscopy. Two dispersion regions are observed in the dielectric spectra of the pure P(VDF-TrFE) film. They are related to the glass transition and to a charge-carrier relaxation, respectively. In PDLC films containing 10 and 60 wt% LC, an additional, bias-field-dependent relaxation peak is found that can be attributed to the motion of LC molecules. Due to the anchoring effect of the LC molecules, this relaxation process is slowed down considerably, when compared with the related process in the pure LC. The electro-optical and piezo-optical behavior of PDLC films containing 10 and 60 wt% LCs is investigated. In addition to the refractive-index mismatch between the polymer matrix and the LC molecules, the interaction between the polymer dipoles and the LC molecules at the droplet interface influences the light-scattering behavior of the PDLC films. For the first time, it was shown that the electric field generated by the application of a mechanical stress may lead to changes in the transmittance of a PDLC film. Such a piezo-optical PDLC material may be useful e.g. in sensing and visualization applications. Compared to a non-polar matrix polymer, the polar matrix polymer exhibits a strong interaction with the LC molecules at the polymer/LC interface which affects the electro-optical effect of the PDLC films and prevents a larger increase in optical transmission.<br>Mikrometer-große, in eine Polymermatrix eingebettete Flüssigkristall-Tröpfchen können als elektro-optische Lichtventile fungieren, da die Ausrichtung der Flüssigkristalle durch ein externes elektrisches Feld verändert werden kann. Wird nun ein ferroelektrisches Polymer als Matrix verwendet, so kann das durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte und von der äußeren mechanischen Spannung abhängige elektrische Feld den Flüssigkristall ausrichten. Solche Materialien können daher als piezo-optische Lichtventile eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden PDLCs (polymer-dispersed liquid crystals) durch Einbettung von nematischen Flüssigkristallen in Poly(Vinylidenefluoride-Trifluorethylene) (P(VDF-TrFE)) erzeugt. Die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkristall und Polymer wurden mittels dielektrischer Spektroskopie untersucht. Im dielektrischen Spektrum des reinen P(VDF-TrFE) wurden zwei Dispersions-Regionen beobachtet, welche vom Glasübergang und einer Ladungsträgerrelaxation des Polymers herrühren. PDLC Folien mit unterschiedlichen Anteilen von Flüssigkristall-Tröpfchen (10 bzw. 60 Gewichtsprozente) zeigten beim Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zusatzliche Relaxationseffekte, welche der Bewegung der eingebetteten Flüssigkristall-Moleküle zugeordnet werden konnten. Durch die Einlagerung der Flüssigkristall-Moleküle weist die Struktur eine Relaxation auf, die gegenüber vergleichbaren Prozessen im reinen Flüssigkristall deutlich verlangsamt ist. Des weiteren wurde das elektrooptische und piezo-optische Verhalten der mit 10 und 60 Gewichtsprozent Flüssigkristall geladenen Folien untersucht. Die Lichtstreuung hängt dabei ab von der Fehlanpassung der Brechungsindizes von Polymermatrix und Flüssigkristallen sowie von den Wechselwirkungen der Polymerdipole mit den Flüssigkristall-Molekülen an der Tröpfchenoberfläche. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass die Lichtdurchlässigkeit der PDLC-Folien durch eine externe mechanische Spannung gesteuert werden kann. Dieser Effekt macht das piezo-optische PDLC-Material für die Verwendung in Optik- und Sensoranwendungen interessant. Im Vergleich mit unpolaren Wirtspolymeren zeigen polare Wirtsmaterialien eine deutlich stärkere Wechselwirkung zwischen den Flüssigkristall-Molekülen an der Polymer/Flüssigkristall-Grenzfläche, welche den elektrooptischen Effekt beeinflusst und so die maximale transmissions änderung reduziert.