Matériaux composites fonctionnels aux propriétés piézoélectriques et thermoélectriques ajustables

Overview & Synopsis

La récupération d'énergie désigne la conversion de l'énergie ambiante en énergie utile, principalement électrique. Dans le contexte mondial actuel, valoriser l'énergie environnante, qu'elle soit sous forme solaire, mécanique ou thermique, devient primordial. La piézoélectricité permet de convertir l'énergie mécanique en énergie électrique via son effet direct. La thermoélectricité offre la possibilité, en exploitant des gradients thermiques, de générer de l'électricité par effet Seebeck. Pour ces deux phénomènes, les matériaux classiques sont inorganiques, rigides et lourds et parfois constitués de composés toxiques. De plus, la piézoélectricité et la thermoélectricité ne peuvent se produire simultanément dans un même matériau ; le premier a besoin d'être isolant électrique, le second d'être conducteur électrique. Dans ce contexte, les composites à matrice polymères, chargés en nanoparticules conductrices, suscitent un intérêt croissant en raison de leur flexibilité, de leur légèreté, de leur adaptabilité et de leur facilité de mise en œuvre.Cette thèse de doctorat s'est concentrée sur l'étude de matériaux composites constitués d'une matrice copolymère piézoélectrique, le P(VDF-co-TrFE) et de nanotubes de carbone en tant que nanocharges conductrices, à différentes teneurs. L'utilisation d'un copolymère fluoré est avantageuse en raison des propriétés piézoélectriques intrinsèques du matériau et de sa faible conductivité thermique, bénéfique en thermoélectricité. Les propriétés électroactives peuvent être renforcées par une faible fraction de nanotubes de carbone. Lorsque cette fraction devient élevée, dépassant le seuil de percolation électrique, cela confère des propriétés de conduction électrique nécessaires en thermoélectricité. L'effet Seebeck peut se produire. De plus, la conductivité thermique reste faible grâce à la présence d'interfaces créées entre la matrice et les charges. Ainsi, en ajustant simplement la fraction des nanotubes de carbone, ce matériau composite peut être soit piézoélectrique, soit thermoélectrique.Des échantillons, avec des fractions en nanotubes de carbone multifeuillets de 0,1 wt% à 50 wt%, ont été élaborés par voie solvant. L'impact de cette teneur sur la structure et les propriétés mécaniques a été étudié. Pour de faibles teneurs en nanotubes, des films ont été obtenus afin de caractériser les propriétés piézoélectriques. Les résultats montrent une amélioration de ces dernières avec la présence de ces charges. Avec des teneurs élevées, des disques épais ont été obtenus selon le même protocole d'élaboration et leurs propriétés thermoélectriques ont pu être mesurées, jusqu'à l'obtention de la figure de mérite thermoélectrique “through-plane”.Par la suite, d'autres charges ont pu être investiguées, avec notamment différents types de nanotubes ainsi que des fils métalliques. Les nanotubes monofeuillets ont montré une influence intéressante sur les propriétés thermoélectriques d'échantillons épais. Des échantillons fins ont aussi été élaborés et les figures de mérite thermoélectriques “in-plane” résultantes sont largement augmentées par, notamment, l'utilisation de la conductivité électrique dans le plan. Toutefois, un second type de nanotubes multifeuillets a montré le meilleur compromis entre l'augmentation des propriétés piézoélectriques et thermoélectriques, en fonction de la fraction volumique utilisée.Pour finir, une fonctionnalisation par voie non-covalente a été développée et mise en œuvre au sein du laboratoire. Comparés à des nanotubes commerciaux, non-fonctionnalisés ou fonctionnalisés par voie-covalente, les nanotubes fonctionnalisés par voie non-covalente ont démontré une amélioration notable des performances piézoélectriques et thermoélectriques du matériau composite. Certains échantillons prometteurs présentent des figures de mérite plus élevées avec seulement 0,5 wt% de nanotubes fonctionnalisés, en comparaison de 50 wt% de nanotubes non-fonctionnalisés.