FR3128609A1 - Dispositif piezoelectrique a fort coefficient piezoelectrique - Google Patents
Dispositif piezoelectrique a fort coefficient piezoelectrique Download PDFInfo
- Publication number
- FR3128609A1 FR3128609A1 FR2111247A FR2111247A FR3128609A1 FR 3128609 A1 FR3128609 A1 FR 3128609A1 FR 2111247 A FR2111247 A FR 2111247A FR 2111247 A FR2111247 A FR 2111247A FR 3128609 A1 FR3128609 A1 FR 3128609A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- piezoelectric
- layer
- particles
- pvdf
- composite material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 123
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 88
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims abstract description 60
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims abstract description 59
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 37
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 35
- JNYAEWCLZODPBN-JGWLITMVSA-N (2r,3r,4s)-2-[(1r)-1,2-dihydroxyethyl]oxolane-3,4-diol Chemical compound OC[C@@H](O)[C@H]1OC[C@H](O)[C@H]1O JNYAEWCLZODPBN-JGWLITMVSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 229920001897 terpolymer Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 24
- 229920005569 poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) Polymers 0.000 claims description 10
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 claims description 8
- YPJUNDFVDDCYIH-UHFFFAOYSA-N perfluorobutyric acid Chemical compound OC(=O)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)F YPJUNDFVDDCYIH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 abstract description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 107
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 47
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 15
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 12
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 8
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- -1 poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) Polymers 0.000 description 7
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 6
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 5
- LCFVJGUPQDGYKZ-UHFFFAOYSA-N Bisphenol A diglycidyl ether Chemical compound C=1C=C(OCC2OC2)C=CC=1C(C)(C)C(C=C1)=CC=C1OCC1CO1 LCFVJGUPQDGYKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004433 Thermoplastic polyurethane Substances 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 4
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 description 4
- JLGNHOJUQFHYEZ-UHFFFAOYSA-N trimethoxy(3,3,3-trifluoropropyl)silane Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCC(F)(F)F JLGNHOJUQFHYEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 1,1-Difluoroethene Chemical compound FC(F)=C BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- FPBWSPZHCJXUBL-UHFFFAOYSA-N 1-chloro-1-fluoroethene Chemical group FC(Cl)=C FPBWSPZHCJXUBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UUAGAQFQZIEFAH-UHFFFAOYSA-N chlorotrifluoroethylene Chemical group FC(F)=C(F)Cl UUAGAQFQZIEFAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 3
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 3
- 229920000131 polyvinylidene Polymers 0.000 description 3
- BLTXWCKMNMYXEA-UHFFFAOYSA-N 1,1,2-trifluoro-2-(trifluoromethoxy)ethene Chemical compound FC(F)=C(F)OC(F)(F)F BLTXWCKMNMYXEA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MUUOUUYKIVSIAR-UHFFFAOYSA-N 2-but-3-enyloxirane Chemical compound C=CCCC1CO1 MUUOUUYKIVSIAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FCZHJHKCOZGQJZ-UHFFFAOYSA-N 2-oct-7-enyloxirane Chemical compound C=CCCCCCCC1CO1 FCZHJHKCOZGQJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 4-Butyrolactone Chemical compound O=C1CCCO1 YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910016570 AlCu Inorganic materials 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- BGTOWKSIORTVQH-UHFFFAOYSA-N cyclopentanone Chemical compound O=C1CCCC1 BGTOWKSIORTVQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- GYZLOYUZLJXAJU-UHFFFAOYSA-N diglycidyl ether Chemical compound C1OC1COCC1CO1 GYZLOYUZLJXAJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DIJRHOZMLZRNLM-UHFFFAOYSA-N dimethoxy-methyl-(3,3,3-trifluoropropyl)silane Chemical compound CO[Si](C)(OC)CCC(F)(F)F DIJRHOZMLZRNLM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- AFOSIXZFDONLBT-UHFFFAOYSA-N divinyl sulfone Chemical compound C=CS(=O)(=O)C=C AFOSIXZFDONLBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- 238000003682 fluorination reaction Methods 0.000 description 2
- LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-N gallic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC(O)=C(O)C(O)=C1 LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N hexafluoropropylene Chemical group FC(F)=C(F)C(F)(F)F HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010954 inorganic particle Substances 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 2
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 125000001174 sulfone group Chemical group 0.000 description 2
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- ZLGWXNBXAXOQBG-UHFFFAOYSA-N triethoxy(3,3,3-trifluoropropyl)silane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCC(F)(F)F ZLGWXNBXAXOQBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AVYKQOAMZCAHRG-UHFFFAOYSA-N triethoxy(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)silane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCC(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)F AVYKQOAMZCAHRG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DQWPFSLDHJDLRL-UHFFFAOYSA-N triethyl phosphate Chemical compound CCOP(=O)(OCC)OCC DQWPFSLDHJDLRL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BPSIOYPQMFLKFR-UHFFFAOYSA-N trimethoxy-[3-(oxiran-2-ylmethoxy)propyl]silane Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCOCC1CO1 BPSIOYPQMFLKFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- MIZLGWKEZAPEFJ-UHFFFAOYSA-N 1,1,2-trifluoroethene Chemical group FC=C(F)F MIZLGWKEZAPEFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XPIIYLUXKKHAPJ-UHFFFAOYSA-N 1,1,2-trifluoroethene;hydrofluoride Chemical group F.FC=C(F)F XPIIYLUXKKHAPJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GKWLILHTTGWKLQ-UHFFFAOYSA-N 2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxine Chemical compound O1CCOC2=CSC=C21 GKWLILHTTGWKLQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000789 Aluminium-silicon alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910015202 MoCr Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001166 Poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) Polymers 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 1
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000002843 carboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000009614 chemical analysis method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 229940074391 gallic acid Drugs 0.000 description 1
- 235000004515 gallic acid Nutrition 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 229920001519 homopolymer Polymers 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 238000005325 percolation Methods 0.000 description 1
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000013557 residual solvent Substances 0.000 description 1
- 239000002094 self assembled monolayer Substances 0.000 description 1
- 239000013545 self-assembled monolayer Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/852—Composite materials, e.g. having 1-3 or 2-2 type connectivity
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Matériau composite piézoélectrique (400) comprenant : - des particules piézoélectriques (410) recouvertes par une couche fluorée (411), puis par une couche électriquement conductrice de préférence en polymère (412) - une matrice (420) polymérique en PVDF, en un copolymère de PVDF ou en un terpolymère de PVDF, ou en une résine, dans laquelle sont dispersées les particules piézoélectriques (410), - éventuellement des traces de sorbitan. Figure pour l’abrégé : 3
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des matériaux composites piézoélectriques.
L’invention concerne un matériau composite piézoélectrique et un dispositif piézoélectrique comprenant un tel matériau.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel matériau et un procédé de fabrication d’un tel dispositif.
L’invention trouve des applications dans de nombreux domaines industriels, et notamment dans le domaine des sonars sous-marins, des transducteurs ultrasoniques de diagnostic médical, pour la récupération de l’énergie, dans le domaine des capteurs de force ou de pression.
L’invention est particulièrement intéressante pour la fabrication d'actionneurs ou de transducteurs de forte puissance.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux qui se polarisent électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et qui, inversement, peuvent se déformer lorsqu’un champ électrique est appliqué.
Les matériaux piézoélectriques polymères tels que le PVDF ou le PVDF-TRFE conviennent parfaitement aux applications de capteurs. La constante (ou coefficient) piézoélectrique dxydu PVDF, qui indique la déformation par champ électrique unitaire (dans les applications d'actionneur), est dix fois plus petite que celle du PZT. De plus, en raison de sa faible constante diélectrique, la constante piézoélectrique gxydu PVDF, qui indique la tension par unité de contrainte (dans les applications de capteurs), est 10 fois plus grande que celle du PZT.
Cependant, le PVDF ne peut pas être utilisé seul dans la fabrication d'actionneurs ou de transducteurs de forte puissance, en raison de ses faibles constantes piézoélectriques dxyet de sa très faible rigidité élastique.
Actuellement, les capteurs dits intelligents comprennent souvent des matériaux composites piézoélectriques (aussi appelés piézocomposites). Ces matériaux comprennent un composant (ou phase) piézoélectrique et un composant (ou phase) non piézoélectrique. Ces matériaux ont un couplage électromécanique considérable, une forte activité piézoélectrique, une bonne sensibilité et une bonne anisotropie, et une figure de mérite remarquable.
En particulier, les matériaux composites, formés d’un polymère et de particules ferroélectriques de BaTiO3ou de PZT, font partie des diélectriques les plus prometteurs pour la réalisation de capacité piézoélectrique. Afin d’obtenir des matériaux flexibles, ils peuvent être fabriqués en déposant une composition (ou formulation) par des techniques d’impression.
L’insertion de BaTiO3fonctionnalisé dans la matrice de PVDF ou PVDF-TRFE (polymère ferroélectrique) joue un rôle important sur les propriétés piézoélectriques du composite et notamment sur le coefficient d33 de la matrice PVDF-TRFE ( ). En effet, le PVDF-TRFE seul présente un coefficient négatif de l’ordre de -18pC/N. L’insertion de 30% en masse de BaTiO3permet au composite d’avoir un coefficient d33 positif, de l’ordre de 1pC/N. L’incorporation de BaTiO3entraine donc une diminution (en valeur absolue) du coefficient piézoélectrique des composites et contrebalance le coefficient piézoélectrique du PVDF-TRFE.
L’introduction de teneurs plus élevées de BaTiO3aurait pu permettre d’accéder à des valeurs de d33 plus élevées. Cependant, une teneur trop élevée de céramiques (>50% en masse) fragilise le composite.
Une voie pour améliorer le coefficient piézoélectrique des composites serait de réaliser une polarisation « antiparallèle » des particules de céramiques par rapport à la matrice polymère. Dans ce cas, il n’y a plus opposition des coefficients piézoélectriques mais une association des d33. Pour cela, il est nécessaire que les dipôles du polymère soient orientés en sens inverse des dipôles des particules. Cependant, en pratique, le champ électrique localement perçu par les particules de BaTiO3est plus faible que le champ électrique appliqué ( ). L’application d’un champ plus élevé est susceptible de basculer également les dipôles du polymère. La polarisation antiparallèle se révèle donc être difficilement applicable.
Il n’existe donc à ce jour pas de solution satisfaisante pour améliorer le coefficient piézoélectrique des composites piézoélectriques.
Les recherches se sont tournées vers la fonctionnalisation de particules pour augmenter la permittivité diélectrique du matériau composite.
Dans l’article de Wu et al. («’ Plasma fluorination of BaTiO3for enhancement of interfacial adhesion and surface insulation of epoxy resin’, J Mater Sci (2020) 55:1499–1510), des composites comprenant des particules de BaTiO3et une résine époxy sont fabriqués. Les particules de BaTiO3sont soumises à une étape de fluoration, par un traitement plasma CF4, ce qui améliore la compatibilité entre la résine et les particules ainsi que l'isolation de surface de l'époxy.
Dans l’article de Dai et al. (‘Increased dielectric permittivity of poly(vinylidene fluoride-cochlorotrifluoroethylene) nanocomposites by coating BaTiO3with functional groups owning high bond dipole moment’, Colloids and Surfaces A 529 (2017) 560–570), la permittivité diélectrique d’un composite comprenant du poly(fluorure de vinylidène-cochlorotrifluoroéthylène) et des particules BaTiO3est améliorée en fonctionnalisant les particules de BaTiO3par des molécules comprenant des groupes possédant un moment dipolaire à liaison élevée, comme par exemple l’acide gallique.
Cependant, ces molécules peuvent former un piège électrique et être à l’origine de claquage électrique sous des champs assez fort. De plus, lorsqu’on réalise un traitement thermique ces molécules se décomposent, modifiant ainsi la surface des particules.
Un but de la présente invention est de proposer un matériau composite piézoélectrique remédiant aux inconvénients de l’art antérieur, et en particulier, présentant un fort coefficient piézoélectrique.
Pour cela, la présente invention propose un matériau composite comprenant :
- des particules piézoélectriques recouvertes par une couche fluorée, puis par une couche électriquement conductrice de préférence en polymère,
- une matrice polymérique en PVDF, en un copolymère de PVDF ou en un terpolymère de PVDF, ou en une résine, dans laquelle sont dispersées les particules piézoélectriques,
- éventuellement des traces de sorbitan.
L’invention se distingue fondamentalement de l’art antérieur par l’utilisation d’éléments particulaires de type cœur-coquille comprenant un cœur piézoélectrique recouvert par une coquille électriquement conductrice.
Une couche fluorée est disposée entre le cœur piézoélectrique et la couche électriquement conductrice.
La coquille est de préférence en un matériau polymère électriquement conducteur.
Les particules sont dispersées dans la matrice polymère à base de PVDF permettant de créer un chemin de conductivité dans le matériau composite. Ainsi, augmente la permittivité de la matrice et également localement la conductivité électrique de la matrice. On obtient ainsi un matériau dans lequel la distribution du champ électrique est équilibrée dans tous le composite, ce qui facilite la polarisation du composite (alignement des dipôles sous champ). Les performances piézoélectriques du matériau composite sont ainsi améliorées.
Sans la présence de la coquille électriquement conductrice, le champ électrique serait plus intense dans le polymère à base de PVDF car celui-ci présente généralement des permittivités εrinférieures à 60 alors que, par exemple, des particules de BaTiO3ont une permittivité de l’ordre de 1500.
Avantageusement, les particules sont des particules de BaTiO3et la couche fluorée est une couche d’acide heptafluorobutyrique.
Avantageusement, la plus grande dimension des particules piézoélectriques est comprise entre 1 et 15 µm et la couche électriquement conductrice a une épaisseur de 10nm à 300nm, et de préférence de 50nm à 100nm.
Avantageusement, la couche composite comprend de 40% à 90% en poids de particules piézoélectriques et de 10% à 60% en poids de matrice polymérique.
Avantageusement, la couche composite comprend de 80% à 90% en poids de particules piézoélectriques et de 10% à 20% en poids de matrice polymérique.
Avantageusement, les particules piézoélectriques sont en BaTiO3et la matrice polymérique en PVDF-TrFE, PVDF-HFP, PVDF ou en PVDF-TrFE-CFE.
Avantageusement, les particules sont recouvertes par une couche de PEDOT-PSS.
Avantageusement, les particules sont recouvertes par une couche de polyaniline (PANI) ou de polypyrone.
L’invention concerne également un dispositif piézoélectrique comprenant une couche de matériau composite piézoélectrique disposée entre une première électrode conductrice électrique et une deuxième électrode conductrice électrique,
le matériau composite piézoélectrique comprenant :
- des particules piézoélectriques recouvertes par une couche fluorée, puis par une couche électriquement conductrice en polymère, de préférence une couche de PEDOT-PSS, de polyaniline ou de polypyrone,
- une matrice polymérique en PVDF, en un copolymère de PVDF ou en un terpolymère de PVDF, ou une matrice en une résine,
- éventuellement du sorbitan.
Avantageusement, le dispositif piézoélectrique comprend en outre une couche résistive formée d’un mélange de PEDOT-PSS et d’une molécule diélectrique disposée entre la couche composite piézoélectrique et la deuxième électrode conductrice. La couche de PEDOT-PSS modifié permet d’isoler électriquement la couche composite imprimée des électrodes de manière à éviter tout court-circuit. La couche à base de PEDOT-PSS très résistive limite ainsi la propagation des courants électriques à travers les défauts débouchants de la couche de composite résultant de la fabrication par sérigraphie.
Avantageusement, la couche résistive remplit les trous présents dans la couche composite.
Par résistif, on entend une résistance carrée entre 300 et 50000 Ω/□, préférentiellement R supérieure à 1000 Ω/□, et encore plus préférentiellement supérieure à 10000 Ω/□.
La première électrode et/ou la deuxième électrode ont une résistance carrée inférieure à 1000 Ω/□ et de préférence entre 100 et 500 Ω/□.
Avantageusement, le dispositif piézoélectrique comprend :
- des particules de BaTiO3recouvertes par une couche d’acide heptafluorobutyrique,
- du PVDF, un copolymère de PVDF ou un terpolymère de PVDF,
- du sorbitan.
Avantageusement, la molécule diélectrique est choisie parmi : un époxy, un acrylate, une sulfone et un diglycidyl éther.
De manière encore plus avantageuse, la molécule diélectrique est choisie parmi la Divinyl sulfone, le (3-Glycidyloxypropyl)triméthoxysilane, le 1,2-époxy-5-hexène, le 1,2-Epoxy-9-décène, le 2,2-Bis[4-(glycidyloxy)phényl]propane et le 4,4′-Isopropylidènediphénol diglycidyl éther.
Avantageusement, la couche résistive a une épaisseur comprise entre 200nm et 2µm.
Avantageusement, la première électrode conductrice électrique et/ou la deuxième électrode conductrice électrique sont en argent imprimé ou en Ti-Au.
Avantageusement, la première électrode conductrice électrique et/ou la deuxième électrode conductrice électrique sont en PEDOT-PSS.
Avantageusement, la couche composite comprend de 40% à 90% en poids de particules piézoélectriques fonctionnalisées avec le composé fluoré et de 10% à 60% en poids de matrice polymérique.
Avantageusement, la couche composite comprend de 80% à 90% en poids de particules piézoélectriques fonctionnalisées avec le composé fluoré et de 10% à 20% en poids de matrice polymérique.
Avantageusement, les particules piézoélectriques sont en BaTiO3et la matrice polymérique en PVDF-TrFE ou PVDF-HFP.
Le dispositif présente de nombreux avantages :
- la couche résistive de PEDOT-PSS modifiée ne modifie pas les tensions de polarisation (ce qui n’est pas le cas avec une couche diélectrique) ni les propriétés ferroélectriques du dispositif,
- la couche résistive est compatible avec la couche de composite, notamment en terme de mouillabilité,
- la couche résistive présente une bonne affinité électrique avec la couche composite,
- le courant de fuite est inférieur à 1μA même à 50V,
- le couche composite peut être fortement chargée en particules piézoélectriques : il est possible d’avoir jusqu’ à 90% massique de particules, par exemple, en BaTiO3 dans la matrice polymère, par exemple en PVDF-TRFE ou PVDF-HFP.
L’invention concerne également une structure piézoélectrique formée d’une particule piézoélectrique recouverte successivement par une couche fluorée, ayant de préférence une épaisseur inférieure à 30nm, puis par une couche électriquement conductrice, de préférence en polymère.
Avantageusement, la particule est en BaTiO3et la couche électriquement conductrice est en PEDOT-PSS, polyaniline ou polypyrone.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi que ce complément de description n’est donné qu’à titre d’illustration de l’objet de l’invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d’exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Bien que cela ne soit aucunement limitatif, l’invention trouve particulièrement des applications dans le domaine des dispositifs piézoélectriques notamment des capacitances de type Métal/Composite/métal.
L’invention est particulièrement intéressante pour des applications de sonar sous-marin et de transducteur ultrasonique de diagnostic médical, mais aussi pour la récupération de l’énergie ou encore pour des capteurs de force ou de pression.
Le dispositif piézoélectrique comprend une couche de matériau composite piézoélectrique disposée entre une première électrode conductrice électrique et une deuxième électrode conductrice électrique.
Le dispositif piézoélectrique comprend en outre une couche résistive formée d’un mélange de PEDOT-PSS et d’une molécule diélectrique disposée entre la couche composite piézoélectrique et la deuxième électrode conductrice.
Le dispositif piézoélectrique peut comprendre en outre une couche résistive additionnelle, formée d’un mélange de PEDOT-PSS et d’une molécule diélectrique, entre la couche composite piézoélectrique et la première électrode conductrice.
Nous allons maintenant décrire plus en détail les différents éléments du dispositif piézoélectrique.
Comme représenté sur la , le matériau composite piézoélectrique comprend :
- des particules piézoélectriques 410 recouvertes par une couche fluorée 411, et éventuellement par une couche (ou coquille) électriquement conductrice 412,
- une matrice 420 polymérique en PVDF, en un copolymère de PVDF ou en un terpolymère de PVDF, ou en une résine par exemple époxy ou un polyuréthane thermoplastique (TPU), dans laquelle sont dispersées les particules 410,
- éventuellement, des traces de sorbitan.
La couche composite 400 comprend, de préférence, un polymère 420 à base de PVDF : un homopolymère du PVDF (c’est-à-dire du PVDF), un copolymère du PVDF ou un terpolymère du PVDF.
La matrice polymérique 420 peut être un copolymère du fluorure de vinylidène et d'au moins un autre monomère copolymérisable avec le VDF. Avantageusement, le copolymère comprend au moins 50% en mole, de préférence au moins 70% en poids, encore plus préférentiellement au moins 90% en mole de VDF.
A titre illustratif, le ou les monomères copolymérisables sont, par exemple, choisi parmi le chlorotrifluoroéthylène (CTFE), le chlorofluoroéthylène (CFE), l'hexafluoropropylène (HFP), le trifluoroéthylène (VF3), le méthacrylate de méthyle (MMA), le tétrafluoroéthylène (TFE), et les perfluoro(alkyl vinyl) éthers tels que le perfluoro(méthyl vinyl)éther (PMVE).
De préférence, le copolymère est un copolymère PVDF / TrFe, aussi noté P(VDF-TrFe).
Il peut également s’agir d’un terpolymère. On choisira par exemple un terpolymère de PVDF/ CTFE /CFE.
Selon une première variante de réalisation, le polymère est ferroélectrique. Par exemple il s’agit du PVDF (polyfluorure de vinylidène), d’un poly(fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène), noté P(VDF-TrFE) ou PVDF-CTFE.
Selon une autre variante de réalisation, le polymère n’est pas un polymère ferroélectrique : il peut s’agir de PVDF-HFP.
A titre illustratif, nous allons donner quelques permittivités de matrice à base de PVDF :
- Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) (P(VDF-TrFE-CFE) : εr= 60,
- Polyvinylidene fluoride trifluoroethylene PVDF-TRFE : εr= 14,
- Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) PVDF-HFP : εr= 10
Les particules ferroélectriques 410 sont de préférence des particules en BaTiO3(BTO), PZT (titano-zirconate de plomb, ou « Lead Zirconate Titanate » en anglais), AlN, ZnO, ou encore en SBN (oxyde de Sr-Ba-Nb) ou SBT (oxyde de Sr-Ba-Ti).. De préférence les particules sont des particules de BTO. La permitiivité des particules de BTO est εr= 1500.
Les particules 410 peuvent avoir des tailles et des formes très différentes.
Le diamètre des particules 410 est par exemple compris entre 1 et 15 µm.
Les particules 410 sont par exemple sphériques.
Les particules 410 sont recouvertes par une couche fluorée 411. La couche fluorée 411 comprend des molécules ayant un groupement fluoré, ce qui améliore la compatibilité entre la particule et la coquille de la particule.
Avantageusement, les molécules de la couche fluorée 411 comprennent en outre un groupement acide carboxylique pour améliorer le greffage du composé sur le cœur des particules.
La couche fluorée 411 a, par exemple, une épaisseur inférieure à 30 nm et de préférence inférieure à 10 nm.
La couche fluorée est de préférence continue.
De préférence, la couche fluorée 411 est une couche d’acide heptafluorobutyrique.
La couche électriquement conductrice 412 formant la coquille est de préférence un matériau polymère, de préférence choisi parmi le PEDOT-PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate), la polyaniline ou la polypyrone. La coquille est en un polymère compatible avec la matrice polymérique du matériau composite. Ceci évite les phénomènes d’agglomération et donc les points de concentration de contraintes, le courant de fuite ainsi que les pertes diélectriques. De plus, on obtient ainsi un champ électrique plus uniforme.
La couche électriquement conductrice est de préférence continue.
De préférence, la coquille 412 est en PEDOT-PSS, un polymère qui présente généralement des conductivités inférieures à 10-3S/cm, voire inférieures à 10-4S/cm voire inférieures à 10-5S/cm.
La coquille 412 a par exemple une épaisseur comprise entre 100nm et 500nm, de préférence entre 100nm et 300nm.
Une fine épaisseur de fonctionnalisation améliore la différence d’énergie de surface entre la particule et la matrice notamment en PVDF. Un tel mécanisme est plus performant qu’une optimisation basée sur des molécules dipôles instables sous champ électrique.
Ainsi, on obtient un matériau composite 400 dans lequel la distribution du champ électrique est équilibrée dans tous le composite, ce qui facilite la polarisation du composite.
Selon un mode de réalisation particulier, le matériau composite 400 peut également comprendre des particules de PEDOT-PSS.
La présence de particules de PEDOT-PSS, dispersées dans la matrice modifient les lignes des champs électriques du matériau composite. En effet, la conductivité du matériau composite est ainsi modifiée localement, ce qui améliore la polarisation et la répartition du champ électrique au sein du matériau. Le déplacement électrique est amélioré grâce à l’augmentation locale de la conductivité électrique, ce qui facilite la polarisation de la couche composite. Les tensions de polarisation globale dans le matériau composite sont donc ainsi diminuées. Du fait que le PEDOT-PSS possède une faible conductivité électrique, l’apparition de courant de fuite et ainsi fortement limité voire éliminé. A titre de comparaison, la différence de conductivité entre le PEDOT-PSS et l’argent varie d’un facteur 100 à 1000.
Les particules piézoélectriques et les particules de PEDOT-PSS sont dispersées dans la matrice, de préférence de manière homogène. Les particules piézoélectriques et les particules de PEDOT-PSS sont séparées les unes des autres. Autrement dit, elles ne forment pas un chemin de percolation.
De préférence, la conductivité des particules de PEDOT-PSS est inférieure à 10-4S/m.
Avantageusement, les particules de PEDOT-PSS ont une plus grande dimension comprise entre 50 nm et 500 nm.
Selon une première variante de réalisation, les particules de PEDOT-PSS sont fonctionnalisées par des groupements fluorés. Une telle fonctionnalisation est par exemple obtenue grâce à un traitement plasma fluoré.
Selon une autre variante de réalisation avantageuse, les particules de PEDOT-PSS sont recouvertes par une couche auto-assemblée (SAM) comprenant un alcoxysilane ayant un groupement fluoré. De préférence, l’alcoxysilane ayant un groupement fluoré est choisi parmi le Triméthoxy(3,3,3-trifluoropropyl)silane, le (3,3,3-trifluoropropyl) triéthoxysilane, le 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriéthoxysilane, le (3,3,3-Trifluoropropyl)triméthoxysilane, et le (3,3,3-Trifluoropropyl)méthyldiméthoxysilane.
De préférence, la SAM recouvre complètement les particules de PEDOT-PSS.
Ces deux variantes de réalisation sont très avantageuses car ceci améliore la dispersion des particules de PEDOT-PSS dans la matrice fluorée.
Du sorbitan peut être présent dans le matériau composite.
Le sorbitan représente, par exemple, de 0,1 à 0,5% massique de la couche composite.
Le sorbitan peut être à l’état de traces dans le composite. Par trace, on entend moins de 0,2%, et de préférence moins de 0,1%, par exemple de 0,01 à 0,2% et de préférence de 0,01 à 0,1%. Le sorbitan peut se retrouver en surface du matériau. Le cycle benzénique et/ou les groupements OH du sorbitan le rend facilement identifiable par exemple par FTIR ou XPS (technique d’analyse chimique).
Nous verrons par la suite que la présence du sorbitan résulte du procédé de fabrication du matériau composite 400.
L’épaisseur de la couche en matériau composite pyroélectrique 400 va par exemple de 1µm à 100µm, de préférence de 1 à 50µm, plus préférentiellement de 1 à 10µm. Elle est, par exemple, de 10µm. De préférence, elle va de 100 nm à 3 µm, plus préférentiellement de 100 nm à 2 µm et par exemple égal à environ 1 µm.
L’épaisseur de la couche en matériau composite pyroélectrique 400 dépend de la taille des particules et de la concentration de BaTiO3. Plus la concentration en BTO diminue, plus l’épaisseur diminue. Par exemple, on aura une épaisseur de 10µm quand on a plus de 60% de BTO. Par exemple, on aura une épaisseur entre 2 et 5µm, pour 20% de BaTiO3.
Une couche résistive peut être disposée entre la couche composite et la deuxième électrode et éventuellement entre la couche composite et la première électrode.
La ou les couches résistives sont formées d’un mélange de PEDOT-PSS et d’une molécule diélectrique. La molécule diélectrique est, de préférence, choisie parmi : un époxy, un acrylate, une sulfone et un diglycidyl éther.
Notamment, on choisira la molécule diélectrique parmi la Divinyl sulfone, le (3-Glycidyloxypropyl)triméthoxysilane, le 1,2-époxy-5-hexène, le 1,2-Epoxy-9-décène, le 2,2-Bis[4-(glycidyloxy)phényl]propane et le 4,4′-Isopropylidènediphénol diglycidyl éther.
De préférence, on choisit un époxy (aussi appelé époxyde).
La molécule diélectrique peut représenter jusqu’à 20% en masse de la couche résistive, par exemple entre 2,5 et 20%, de préférence 10%.
La résistance de la couche résistive est de préférence supérieure à 10kΩ et préférentiellement comprise entre 1MΩ et 100MΩ. A titre de comparaison, la conductivité du matériau composite 400 est inférieure à 10-1S/cm, encore plus préférentiellement inférieure à 10-2S/cm de préférence entre 10-6et 10-12S/m (i.e. une résistivité entre 106et 1012Ω.m).
Le matériau composite pyroélectrique 400 est disposé entre la première électrode 100 dite électrode inférieure et la deuxième électrode 200 dite électrode supérieure.
Les électrodes 100, 200 comportent chacune au moins un matériau électriquement conducteur. Le matériau électriquement conducteur peut être choisi parmi un métal, un alliage, un oxyde métallique ou un oxyde d’un alliage métallique.
Par exemple, il peut s’agir d’un oxyde transparent conducteur, tel que l’oxyde d’indium étain (ou ITO).
Par exemple, les électrodes 100, 200 peuvent comporter au moins l’un des matériaux suivants : Ti, Pt, Ni, Au, Al, Mo, Ag, MoCr, AlSi, AlCu, ou encore être formée par un empilement de plusieurs matériaux électriquement conducteurs, par exemple un empilement Ti/TiN, Ti/TiN/AlCu, ou Ti/Au.
L’épaisseur de chacune des électrodes 100, 200 est par exemple comprise entre environ 0,01 µm et 1 µm. L’épaisseur de chacune des électrodes peut être plus importante, allant par exemple jusqu’à environ 5 µm, notamment lorsque ces électrodes sont réalisées par impression en utilisant des matériaux tels que l’argent, le cuivre, le carbone ou encore le PEDOT (poly(3,4-éthylènedioxythiophène). Une couche d’or déposée par photolithographie a, par exemple, une épaisseur de 50nm. Une couche de PEDOT-PSS a, par exemple, une épaisseur de 1 µm.
De préférence, l’électrode inférieure 100 et/ou l’électrode supérieure 200 sont en Ti-Au ou Au par exemple d’une épaisseur de 15 à 50nm, argent imprimé par exemple d’une épaisseur de 5µm ou PEDOT-PSS par exemple d’une épaisseur de 1µm.
La première électrode 100 peut être disposée sur un substrat 300.
Le substrat 300 est, avantageusement, un substrat de type flexible. Par exemple il s’agit d’un substrat plastique simple tel qu’un film de poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), de polyimide (PI), de poly(naphtalate d’éthylène) (PEN), de polycarbonate (PC), en polyuréthane thermoplastique (TPU) ou en polydiméthylsiloxane (PDMS). Il peut également s’agir d’un substrat en papier.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel dispositif.
Le procédé comprend les étapes suivantes :
a) fournir une première électrode,
b) former sur la première électrode, par sérigraphie, une couche de matériau composite comprenant des particules piézoélectriques 410 recouvertes par une couche fluorée 411 et par une couche électriquement conductrice 412, une matrice polymérique en PVDF, en un copolymère de PVDF ou en un terpolymère de PVDF, ou en résine, et du sorbitan,
c) déposer sur la couche de matériau composite, par une technique de dépôt par voie liquide, une couche résistive formée d’un mélange de PEDOT-PSS et d’une molécule diélectrique,
d) former une deuxième électrode sur la couche résistive.
L’étape b) est réalisée en déposant par sérigraphie une composition imprimable comprenant :
- des particules inorganiques piézoélectriques 410 recouvertes par une couche fluorée 411, et par une couche électriquement conductrice 412,
- un polymère à base de PVDF,
- un solvant,
- du sorbitan.
Avantageusement, la composition imprimable est obtenue en ajoutant les différents composés dans l’ordre suivant :
- les particules 410 recouvertes par la couche fluorée 411 et par la couche électriquement conductrice 412,
- le solvant en mélange avec le PVDF, le copolymère de PVDF ou le terpolymère de PVDF,
- le sorbitan.
Le sorbitan est ajouté après les autres composés précités. La sorbitan confère une excellente mouillabilité à la composition. Le sorbitan permet à la composition de rester polaire afin d’être imprimable lors du contact avec l’écran de sérigraphie mais également elle améliore la mouillabilité de l’encre sur les substrats, notamment de type flexible. Le solvant joue aussi un rôle important en équilibrant les différentes polarités de la formulation, notamment entre le solvant, les particules et le polymère.
De préférence, on n’utilisera pas plus de 10% de sorbitan car celui-+ci peut réagir avec un champ électrique. Avantageusement, le sorbitan représente de 0,1 à 10 % en masse de la composition, par exemple 2,5% en masse de la composition.
Avec une telle composition, on assure une bonne dispersion des particules dans la matrice. Il n’y a pas de phénomènes de démixtion ni d’agglomération des particules.
Le solvant est un solvant pouvant solubiliser le polymère et pouvant disperser les particules.
Le solvant est par exemple une cétone ou un N-alkylphosphate. Le solvant est de préférence choisi parmi la γ-butyrolactone, la cyclopentanone, le tétra-éthyl-phosphate et le triéthylphosphate. Encore plus préférentiellement, le solvant est le triéthylphosphate.
Avantageusement, les particules sont des particules de ZnO, PZT, AlN ou BaTiO3(BTO). De préférence, il s’agit de BTO.
L’utilisation de particules inorganiques piézoélectriques 410 recouvertes par une couche fluorée 411, comprenant des molécules ayant un groupement fluor et, de préférence, en outre un groupement carboxylique, facilite la formation de la coquille sur les particules.
Avantageusement, les molécules de la couche fluorée 411 sont des molécules d’acide heptafluorobutyrique.
Par exemple, pour recouvrir les particules 410 par une couche fluorée 411, on peut réaliser les étapes suivantes :
- mélanger un solvant (par exemple de l’éthanol), avec les particules (par exemple BTO) et le composé fluoré (par exemple l’acide heptafluorobutyrique),
- sécher le mélange, par exemple dans une étuve à 100°C, moyennant quoi on obtient une poudre de particules 410 recouvertes par une couche fluorée 411 (molécules piézoélectriques fluorées).
Afin de former la coquille métallique 412 sur les particules piézoélectriques 410 recouvertes par le composé fluoré, on peut réaliser les étapes suivantes :
- préparer une solution comprenant un polymère électriquement conducteur et un solvant, la solution ayant de préférence une viscosité inférieure à 1000cP,
- ajouter à la solution les particules recouvertes par le composé fluoré,
- réaliser un traitement thermique, par exemple à une température comprise entre 50°C et 150°C, pendant une durée, par exemple comprise entre 10min et 5h, moyennant quoi on forme des particules à structure cœur-coquille (par exemple pour un traitement d’une heure à 80°C, on obtient une couche fluorée d’environ 50nm),
- filtrer ce mélange pour récupérer les particules à structure cœur-coquille,
- sécher les particules pour enlever les traces de solvant résiduel.
La solution peut être dispersée mécaniquement soit avec des ultrasons soit en utilisant des billes dans un équipement de type Utraturax.
Avantageusement, la composition imprimable pour former le matériau composite 400 par sérigraphie comprend :
- de 40% à 90% massique de particules piézoélectriques 410 recouvertes d’une couche fluorée 411 et d’une couche électriquement conductrice 412,
- de 10% à 60% massique de PVDF, un copolymère de PVDF ou un terpolymère de PVDF,
- de 5% à 40% massique de solvant,
- de 0,1% à 10% massique de sorbitan.
De manière encore plus avantageuse, la composition comprend :
- de 40% à 90% massique de particules de BaTiO3410 recouvertes d’une couche fluorée 411 et d’une couche électriquement conductrice 412,
- de 10% à 60% massique de PVDF, d’un copolymère de PVDF ou d’un terpolymère de PVDF ; de préférence de 10% à 60% massique de PVDF-TRFE ou de PVDF-HFP,
- de 5% à 40% massique de tétra-éthyl-phosphate,
- de 0,1% à 10% massique de sorbitan par exemple 2,5% massique.
Selon une variante de réalisation, les particules de PEDOT-PSS peuvent être élaborées selon les étapes suivantes :
- préparer une solution comprenant le PEDOT-PSS et un solvant, la solution ayant avantageusement une viscosité inférieure à 1000 Cp,
- éventuellement filtrer la solution,
- réaliser un traitement thermique, par exemple sous azote, à une température par exemple de 180°C, de préférence pendant par exemple 5h, moyennant quoi on obtient du PEDOT-PSS solide,
- broyer le PEDOT-PSS solide pour obtenir des particules de PEDOT-PSS 420,
- de préférence, fonctionnaliser les particules de PEDOT-PSS 420 avec un groupement fluoré ou former une couche auto-assemblée 412 (SAM pur ‘self-assembled monolayer’) sur les particules de PEDOT-PSS.
Les particules de PEDOT-PSS peuvent être fonctionnalisées en utilisant un plasma fluoré, par exemple CF4.
La couche auto-assemblée est, de préférence, une couche d’un alcoxysilane ayant avantageusement un groupement fluoré. On choisira par exemple le Triméthoxy(3,3,3-trifluoropropyl)silane, le (3,3,3-trifluoropropyl) triéthoxysilane, le 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriéthoxysilane, le (3,3,3-Trifluoropropyl)triméthoxysilane ou le (3,3,3-Trifluoropropyl)méthyldiméthoxysilane.
La formation de la SAM peut être réalisée par :
- évaporation de la SAM qui se condense sur les particules (par exemple en plaçant, d’une part une solution de SAM liquide, et d’autre part, les particules de PEDOT-PSS dans une étuve ; après sublimation de la SAM les particules se recouvre d’une SAM fluoré), ou
- une approche par voie liquide, dans laquelle on plonge les particules de PEDOT-PSS dans une solution de SAM, par exemple diluée dans de l’éthanol à 10-2ou 10-3en volume, par exemple pendant une durée de 5min à 1 heure ; après rinçage par exemple à l’éthanol et séchage par exemple dans une étuve à 180°C pendant 1h ou à 100°C pendant 5h, on obtient des particules fonctionnalisées.
Avantageusement, la composition imprimable pour former le matériau composite, lorsqu’elle comprend des particules de PEDOT-PSS, par sérigraphie comprend :
- de 40% à 80% massique de particules piézoélectriques 410 recouvertes par la couche fluorée 411, et éventuellement par une couche électriquement conductrice 412,
- de 1 à 15 % de particules de PEDOT-PSS 420 ; par exemple on choisira 2,5% de particules de PEDOT-PSS pour 80% massique de particules piézoélectriques ou 10% de particules de PEDOT-PSS pour 40% massique de particules piézoélectriques,
- de 10% à 60% massique de PVDF, un copolymère de PVDF ou un terpolymère de PVDF,
- de 5% à 40% massique de solvant,
- de 0,1% à 10% massique de sorbitan, par exemple 2,5% massique.
De manière encore plus avantageuse, la composition comprend :
- de 40% à 80% massique de particules 410 de BaTiO3recouvertes par la couche fluoré, et recouvertes d’une couche électriquement conductrice 412,
- de 1 à 15 % de particules de PEDOT-PSS ; par exemple on choisira 5% de particules de PEDOT-PSS pour 80% massique de particules piézoélectriques de BTO ou 10% de particules de PEDOT-PSS pour 40% massique de particules piézoélectriques de BTO,
- de 10% à 60% massique de PVDF, d’un copolymère de PVDF ou d’un terpolymère de PVDF ; de préférence de 10% à 60% massique de PVDF-TRFE ou de PVDF-HFP,
- de 5% à 40% massique de tétra-éthyl-phosphate,
- de 0,1% à 10% massique de sorbitan par exemple 2,5% massique.
Ces différentes compositions (ou formulations) sont compatibles avec les techniques de dépôt par sérigraphie.
Le dispositif de dépôt par sérigraphie peut comprendre un écran en tissu ou un pochoir métallique (‘stencil’).
L’épaisseur de la couche composite déposée par sérigraphie en une passe est comprise entre 1 et 20µm. Il est possible de superposer plusieurs couches par sérigraphie jusqu’à l’épaisseur finale désirée.
Pour les actionneurs, on déposera, avantageusement, au minimum cinq couches et, de préférence, dix couches de composites intercalées entre deux électrodes, selon la séquence suivante : N x (électrode inférieure / composite / électrode supérieure).
Après avoir été déposé, on réalise avantageusement un recuit, par exemple, à une température comprise entre 100°C et 150°C, de préférence autour de 100°C pour enlever les traces résiduelles de solvant. En fonction des températures utilisées et de la durée du traitement thermique, des traces de sorbitan peuvent être présentes dans le matériau composite 400 obtenu.
Lors de l’étape c), on dépose sur la couche de matériau composite une couche résistive par voie liquide de préférence par sérigraphie. Le liquide peut ainsi pénétrer dans les trous de taille micronique présent dans la couche composite et les remplir partiellement voire totalement.
Les trous présents dans la couche de composites imprimées sont remplis par le Pedot-pss modifié au cours de son dépôt par sérigraphie.
La solution utilisée pour former la couche résistive comprend un solvant aqueux ou organique (de préférence un alcool).
De préférence, la solution a une viscosité comprise entre 500 et 25000cP préférentiellement entre 5000 et 10000cP.
Exemples illustratifs et non limitatifs d’un mode de réalisation
:
Plusieurs dispositifs piézoélectriques ont été fabriqués et testés.
Les particules de BaTiO3sont recouvertes d’une couche de PEDOT-PSS selon les étapes suivantes :
- tremper les particules dans une solution diluée de Pedot-pss de viscosité inférieure à 1000cP, à 180°C pendant 5h,
- disperser mécaniquement les particules recouvertes de Pedot-pss avec soit des ultrasons soit en utilisant des billes dans un équipement nommé Utraturax,
- filtrer ensuite la solution
- sécher les particules.
On obtient des particules recouvertes d’une couche de Pedot-pss d’environ 200nm.
Les particules sont ensuite utilisées pour former un matériau composite avec ue matrice polymérique. Les matrices polymériques utilisées sont PVDF-TRFE-CFE (εr= 60), PVDF-TRFE (εr= 14) et PVDF-HFP(εr= 10).
Les couches composites ont été caractérisées au microscope électronique à balayage (figures 4A et 4B).
La confirme que plus la permittivité de la matrice polymérique est grande plus les performances piézoélectriques du composite sont améliorées.
Claims (12)
- Matériau composite piézoélectrique (400) comprenant :
- des particules piézoélectriques (410) recouvertes par une couche fluorée (411), puis par une couche électriquement conductrice (412) de préférence en polymère,
- une matrice (420) polymérique en PVDF, en un copolymère de PVDF ou en un terpolymère de PVDF, ou en une résine, dans laquelle sont dispersées les particules piézoélectriques (410),
- éventuellement des traces de sorbitan. - Matériau composite piézoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules piézoélectriques (410) sont des particules de BaTiO3et en ce que la couche fluorée (411) est une couche d’acide heptafluorobutyrique.
- Matériau composite piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plus grande dimension des particules piézoélectriques (410) est comprise entre 1 et 15 µm et en ce que la couche électriquement conductrice a une épaisseur de 10nm à 300nm, et de préférence de 50nm à 100nm.
- Matériau composite piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche composite comprend de 40% à 90% en poids de particules piézoélectriques (410) et de 10% à 60% en poids de matrice polymérique (420).
- Matériau composite piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche composite comprend de 80% à 90% en poids de particules piézoélectriques (410) et de 10% à 20% en poids de matrice polymérique (420).
- Matériau composite piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules piézoélectriques (410) sont en BaTiO3et en ce que la matrice polymérique (420) en PVDF-TrFE, PVDF-HFP, PVDF ou en PVDF-TrFE-CFE.
- Matériau composite piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche électriquement conductrice (412) est une couche de PEDOT-PSS.
- Matériau composite piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche électriquement conductrice (412) est une couche de polyaniline ou de polypyrone.
- Dispositif piézoélectrique comprenant une couche de matériau composite piézoélectrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, disposée entre une première électrode conductrice électrique et une deuxième électrode conductrice électrique,
le matériau composite piézoélectrique (400) comprenant :
- des particules piézoélectriques (410) recouvertes par une couche fluorée (411), puis par une couche électriquement conductrice en polymère (412), de préférence une couche de PEDOT-PSS, de polyaniline ou de polypyrone,
- une matrice (420) polymérique en PVDF, en un copolymère de PVDF ou en un terpolymère de PVDF, ou en une résine,
- éventuellement du sorbitan. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif piézoélectrique comprenant en outre une couche résistive formée d’un mélange de PEDOT-PSS et d’une molécule diélectrique disposée entre la couche composite piézoélectrique et la deuxième électrode conductrice.
- Structure piézoélectrique formée d’une particule piézoélectrique (410) recouverte successivement par une couche fluorée (411), ayant de préférence une épaisseur inférieure à 30nm, puis par une couche électriquement conductrice (412) de préférence en polymère.
- Structure piézoélectrique selon la revendication 11, caractérisée en ce que la particule (410) est en BaTiO3et en ce que la couche électriquement conductrice (412) est en PEDOT-PSS, en polyaniline ou en polypyrone.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2111247A FR3128609A1 (fr) | 2021-10-22 | 2021-10-22 | Dispositif piezoelectrique a fort coefficient piezoelectrique |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2111247 | 2021-10-22 | ||
| FR2111247A FR3128609A1 (fr) | 2021-10-22 | 2021-10-22 | Dispositif piezoelectrique a fort coefficient piezoelectrique |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3128609A1 true FR3128609A1 (fr) | 2023-04-28 |
Family
ID=80122506
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2111247A Pending FR3128609A1 (fr) | 2021-10-22 | 2021-10-22 | Dispositif piezoelectrique a fort coefficient piezoelectrique |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3128609A1 (fr) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4595515A (en) * | 1983-08-30 | 1986-06-17 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Vibration-isolating article |
| US20140264142A1 (en) * | 2011-10-12 | 2014-09-18 | Spf Logica S.R.L. | Method for inserting or dispersing particles with piezoelectric properties inside a layer |
-
2021
- 2021-10-22 FR FR2111247A patent/FR3128609A1/fr active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4595515A (en) * | 1983-08-30 | 1986-06-17 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Vibration-isolating article |
| US20140264142A1 (en) * | 2011-10-12 | 2014-09-18 | Spf Logica S.R.L. | Method for inserting or dispersing particles with piezoelectric properties inside a layer |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| CARBONE C ET AL: "Influence of Matrix and Surfactant on Piezoelectric and Dielectric Properties of Screen-Printed BaTiO3/PVDF Composites", POLYMERS, vol. 13, no. 13, 30 June 2021 (2021-06-30), pages 2166, XP055940890, DOI: 10.3390/polym13132166 * |
| DAI ET AL.: "Increased dielectric permittivity of poly(vinylidene fluoride-cochlorotrifluoroethylene) nanocomposites by coating BaTi0 with functional groups owning high bond dipole moment", COLLOIDS AND SURFACES, vol. 529, 2017, pages 560 - 570, XP085147993, DOI: 10.1016/j.colsurfa.2017.05.065 |
| WU ET AL.: "Plasma fluorination of BaTi0 for enhancement of in-terfacial adhésion and surface insulation of epoxy resin", J MATER SCI, vol. 55, 2020, pages 1499 - 1510, XP036937930, DOI: 10.1007/s10853-019-04104-4 |
| WU HAN ET AL: "Plasma fluorination of BaTiOfor enhancement of interfacial adhesion and surface insulation of epoxy resin", JOURNAL OF MATERIAL SCIENCE, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, DORDRECHT, vol. 55, no. 4, 18 October 2019 (2019-10-18), pages 1499 - 1510, XP036937930, ISSN: 0022-2461, [retrieved on 20191018], DOI: 10.1007/S10853-019-04104-4 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8771541B2 (en) | Polymer composite piezoelectric body and manufacturing method for the same | |
| CN111902954A (zh) | 纳米空隙电活性聚合物设备、系统和方法 | |
| EP0086922A1 (fr) | Procédé de fabrication de transducteurs piézo-électriques polymères | |
| FR3034256A1 (fr) | Dispositif piezoelectrique | |
| EP2608287A1 (fr) | Matériau piézoélectrique flexible, production et utilisation associées | |
| FR3092930A1 (fr) | Capacite metal-polymere comprenant un film dielectrique a forte constante dielectrique et a fort champ de claquage | |
| KR101767245B1 (ko) | 액체막이 구비된 복합 박막, 이를 포함하는 유연소자 및 이의 제조방법 | |
| US11302685B2 (en) | Fully-printed stretchable thin-film transistors and integrated logic circuits | |
| KR101471161B1 (ko) | 스프레이 코팅을 통해 제조된 β-상 ＰＶＤＦ 필름을 포함하는 압전소자 | |
| FR3128608A1 (fr) | Dispositif piezoelectrique | |
| FR3070041B1 (fr) | Formulations a base de fluoropolymeres electroactifs et leurs applications | |
| TWI620359B (zh) | 透明電極及相關製造方法 | |
| CA2909322A1 (fr) | Procede de fabrication de materiau composite polarisable sous l'action d'un faible champ electrique | |
| Shouji et al. | Fast Response, High‐Power Tunable Ultrathin Soft Actuator by Functional Piezoelectric Material Composite for Haptic Device Application | |
| US20160260544A1 (en) | Flexible dielectric structure and method of making same | |
| FR2730853A1 (fr) | Procede pour polariser une feuille de materiau ferroelectrique de grande surface | |
| FR3128609A1 (fr) | Dispositif piezoelectrique a fort coefficient piezoelectrique | |
| FR3128606A1 (fr) | Dispositif piezoelectrique a faible tension de polarisation | |
| FR3128607A1 (fr) | Formulation imprimable deposable par serigraphie pour des applications piezoelectriques | |
| FR3131088A1 (fr) | Structure capacitive piezoelectrique | |
| WO2023222974A1 (fr) | Dispositif piezoelectrique miniaturise | |
| Yaqoob et al. | Enhancement in energy harvesting performances of piezoelectric nanogenerator by sandwiching electrostatic rGO layer between PVDF-BTO layers | |
| EP3127173B1 (fr) | Actionneur électroactif et procédé de réalisation | |
| US20230288262A1 (en) | Bolometer material, infrared sensor and method for manufacturing same | |
| FR3143257A1 (fr) | Dispositif piezoelectrique imprime empile |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20230428 |
|
| RX | Complete rejection |
Effective date: 20240308 |