Ce mémoire présente une synthèse des travaux de recherche conduit par l'auteur depuis la fin de sa thèse de doctorat en 2000. Ces travaux se situent dans le cadre des sciences de l'ingénieur et s'intéressent plus particulièrement à la modélisation et à la commande des systèmes mécatroniques. En effet, les dispositifs techniques construits par l'homme étant de plus en plus complexes, leur conception requière de plus en plus de compétences et de connaissances pluridisciplinaires. De plus, le processus de conception de ces dispositifs nécessitent désormais d'importantes phases préliminaires de modélisation. Celles-ci permettent de prédire le comportement du système conçu et ainsi d'aider à sa conception, non seulement au niveau du dispositif lui même (partie matérielle) mais également au niveau de la commande qui permettra d'atteindre les performances désirées (partie logicielle). Les travaux abordés portent plus spécifiquement sur les dispositifs micro-mécatroniques, c'est-à-dire sur les systèmes de très petite taille ou de grande précision mettant en oeuvre simultanément des parties électriques, mécaniques, thermodynamiques et informatiques dans lesquelles les phénomènes de couplages multiphysiques sont prépondérants. La réduction d'échelle influe fortement sur la conception, la réalisation et le fonctionnement de ces dispositifs, c'est pourquoi elle doit être prise en compte comme une contrainte de conception à part entière. Le manuscrit s'organise autour de trois grandes problématiques scientifiques qui sont abordés successivement dans trois chapitres. Après avoir présenté quelques règles et contraintes de conception associées aux micro-systèmes, le premier chapitre présente les outils de modélisation développés pour la conception et la simulation de micro-systèmes robotiques réalisés en technologie « salle blanche ». Le deuxième chapitre s'intéresse à la modélisation et à la conception de dispositifs micro-robotiques pour des applications de micro-manipulation (fonctions de préhension, de perception et de positionnement). Enfin le troisième chapitre aborde la problématique de la miniaturisation des systèmes de positionnement à haute résolution et le remplacement des systèmes classiques par des actionneurs utilisant des matériaux actifs. Ces travaux abordent principalement les matériaux piézoélectriques et les alliages à mémoire de forme magnétique. Les différents travaux de modélisation présentés dans cette HDR ont permis de concevoir un certain nombre de dispositifs réels sur lesquels ont pu être expérimentées les stratégies de commande développées au cours de ces années de recherche. Les performances de ces dispositifs ont été évaluées et confrontées aux résultats théoriques issus de simulations sur les modèles développés et présentés dans le document.

Dans le domaine de la méctronique, l'utilisation de matériaux actifs est en constante évolution en raison de l'arrivée de nouveaux matériaux toujours plus performants. Les Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques (AMFMs) sont des matériaux actifs apparus relativement récemment qui peuvent se déformer de 6 à 10 % sous l'application d'un champ magnétique. Permettant un actionnement rapide avec des déformations importantes, ces alliages sont des bons candidats pour la conception de nouveaux actionneurs. Cependant, ils présentent des caractéristiques non-linéaires avec hystérésis qu'il faut prendre en compte dès la phase de conception et de développement de leur commande afin d'améliorer les performances des nouveaux systèmes. Dans cette thèse, nous proposons une modélisation des AMFMs basée sur la thermodynamique des processus irréversibles à variables internes prenant en compte les effets du champ magnétique, des contraintes mécaniques appliquées ainsi que de la température. Une modélisation dynamique non-linéaire de systèmes mettant en oeuvre des AMFMs est également développée en utilisant les formalismes de Lagrange et Hamilton. Ces modèlisations énergétiques nous permettent de proposer des nouvelles structures d'actionneurs ainsi que des nouvelles lois de commande hybrides bien adaptées au comportement dynamique hystérétique de ce type d'actionneurs. Les résultats théoriques de ces études sont validés par des réalisations de prototypes et des essais expérimentaux.

Cette thèse décrit la fabrication de couches épaisses nanostructurées magnétostrictives par dépôt supersonique de nanoparticules sur un substrat ; ces nanoparticules étant obtenues par le procédé d'Ablation Laser de Microparticules de Terfenol-D en aérosol. Un bloc solide de Terfenol-D a été réduit en poudre de microparticules de 0,3 à 3 µm de diamètre. Ces microparticules ont ensuite été injectées dans un aérosol s'écoulant en continu et ablaté par un laser ultraviolet KrF pulsé. Puis, les nanoparticules formées après l'ablation ont été accélérées par leur passage dans un micro-orifice. Le jet supersonique de nanoparticules en découlant a été utilisé pour déposer une couche épaisse sur un substrat à température ambiante. Les nanoparticules étaient amorphes, comme l'ont montré les analyses de diffraction aux rayons X des couches et les mesures de microscopie électronique à transmission (TEM) effectuées sur des particules individuelles. La distribution des tailles des nanoparticules était typique du procédé LAM : entre 3 et 20 nm de diamètre avec une moyenne de moins de 10 nm.<br /> Les couches déposées ont été caractérisées par la méthode des poutres pour déterminer le module élastique et le niveau de magnétostriction. Les couches étant poreuses en raison de leur nature granulée, leur module élastique était réduit à environ 15 GPa. Le niveau de magnétostriction des couches était d'environ 15 ppm ; cette magnétostriction réduite (1/30 de celui des couches fines) étant dû à un problème d'oxydation. Une analyse spectroscopique du plasma produit par l'ablation a permit la détermination de la source d'oxydation. L'étendue de l'oxydation des couches est apparue directement dépendante de la taille des microparticules utilisées initialement pour fabriquer les nanoparticules. Après calculs théoriques, pour des densités typiques d'aérosol utilisées dans le procédé LAM, il a été démontré que les nanoparticules fabriquées à partir de microparticules de plus de 3 µm de diamètre n'étaient pas affectées de façon significative par les impuretés présentes dans le gaz ou par l'oxydation de surface des microparticules. En revanche, les nanoparticules fabriquées à partir de microparticules de 0,3 µm de diamètre ou moins étaient, elles, oxydées et les couches en résultant l'étaient aussi. Experimentalement le diamètre des microparticules injectées en aérosol était présumé être entre ces deux cas.

Les travaux de cette thèse portent sur la caractérisation du polymères piézoélectriques de PVDF et celles de ses composites avec un alliage à mémoire de forme, pour des applications de récupération l'énergie thermique. Tout d'abord, une discussion est donnée sur les avancées actuelles des technologies de récupération d'énergie ainsi que leurs intérêts économiques. Des valeurs typiques de l'énergie pouvant être générée sont estimées, ainsi que des énergies nécessaires pour certaines applications.Une attention particulière est accordée aux principes de fonctionnement des matériaux pyroélectriques et piézoélectriques. Le PVDF et l'alliage à mémoire de forme NiTiCu sont également introduits.Des techniques de caractérisation adaptées sont introduites pour par voie direct caractériser le PVDF en tant que générateur de charges électriques, et son aptitude à la récolte de l'énergie thermique. Puisque le PVDF est un matériau très souple, la flexion à quatre points, la flexion sur tube, et la machine de traction sont utilisés pour étudier sa réponse piézoélectriques directe en mode quasi-statique, ainsi que les changements de propriétés piézoélectriques sous contrainte. Des mesures d'auto-décharge sous différents champs électriques appliqués, températures et contraintes sont effectuées pour étudier la stabilité du matériau.Un concept de récupération d'énergie utilisant des composites de matériaux fonctionnels de familles différentes est introduit. Ici, le couplage entre un matériau piézo-/pyroélectrique et un alliage à mémoire de forme est proposé. Le voltage pyroélectrique simple est combiné avec un voltage piézoélectrique induit par la transformation de phase de l'alliage à mémoire de forme, pour augmenter l'énergie totale générée par le système en chauffant. Une preuve de concept est présentée d'abord pour un matériau semi-flexible basé sur une céramique PZT, et ensuite pour le PVDF qui est entièrement flexible.Enfin, un circuit de gestion d'énergie a été conçu et intégré au récupérateur d'énergie en PVDF. Les hauts pics de tension générés lors du chauffage or refroidissement sont abaissés par un convertisseur de type buck à deux étages jusqu'au une tension de sortie utile stable. L'énergie de sortie est utilisée pour alimenter une carte d'émission sans fil. Ainsi, une chaîne complète de génération d'énergie, exploitant des variations de température et allant jusqu'au l'émission de données représentatives de l'événement thermique survenu est présentée.Les résultats de ces travaux concernent un large spectre d'applications potentiels, particulièrement les capteurs autonomes sans fil, et des objets de l'Internet of Things, avec une flexibilité mécanique élevée, une épaisseur réduite et de faible coût de maintenance. / This work deals with the characterization of piezoelectric polymers PVDF and its composites with shape memory alloys, for thermal energy harvesting applications. First, we discuss current advancements on energy harvesting technologies as well as their economical interests. Typical values of energy that can be generated are given together with energies typically needed for applications.Particular attention is given to the functioning principles of pyroelectric and piezoelectric materials. PVDF and shape memory alloy NiTiCu are also introduced.Custom characterization techniques are introduced to characterize PVDF piezoelectric properties relevant to generator applications and to evaluate its suitability for thermal energy harvesting. Since PVDF is a very flexible material, four-point bending, tube bending and a tensile machine experiments are used to study its piezoelectric response in quasi-static mode, as well as changes in piezoelectric properties with increased strain. Self-discharge measurements under various applied electric fields, temperatures and strains are performed to study the stability of material.A concept of composite energy harvesting, utilizing two materials of different families, is introduced. Here, we propose the coupling of piezo-/pyroelectric material and shape memory alloy. The pure pyroelectric voltage is combined with generated piezoelectric voltage, induced by shape memory alloy transformation, to increase the total energy generated by the system during heating. The proof of concept is shown first for ceramic PZT-based semi-flexible material and then for fully flexible PVDF.Finally, a power management circuit was designed and integrated with the PVDF energy harvester. High generated voltage peaks at heating are lowered by a two-step buck converter to a useful stable output voltage. Output energy are used to power a wireless emission card. Thus, a complete power generation chain from temperature variations to data emission is presented.The results of this work concern a wide range of applications, especially modern autonomous wireless sensors and Internet of Things objects, with low profile, high mechanical flexibility and low maintenance costs.

Les élastomères magnétorhéologiques sont des matériaux composites actifs, aux propriétés<br />mécaniques contrôlées par un champ magnétique. Ils sont composés de particules magnétiques,<br />structurées en chaînes unidirectionnelles au sein d'une matrice élastomère silicone. Les essais sous<br />champ ont révélé un fort accroissement des propriétés mécaniques : jusqu'à 35kPa pour un module de<br />62kPa en traction statique, et en dynamique un gain sur E' de 600kPa à ε=1%, qui atteint même<br />21MPa à ε=10-5 ! Dans ce dernier cas, la structuration en chaînes va de pair avec une nette<br />augmentation de l'effet Payne et de la dissipation d'énergie, encore accentuée en présence d'un<br />champ, même modeste (15kA/m). L'hypothèse avancée est un décollement progressif de l'élastomère<br />des charges sous l'effet des fortes contraintes locales, entre deux particules (en quasi-contact). Pour<br />faciliter l'étude, un traitement de surface à base de molécules couplantes, fonctionnelles, a été mis au<br />point. La modélisation a d'abord été effectuée sur un système macroscopique (où tous les paramètres<br />sont contrôlés), et validée par des simulations par éléments finis (FEM). Une méthode de milieu<br />effectif prédit le comportement du composites aux charges greffées (avant décollement), tandis qu'une<br />approche semi-analytique, utilisant un critère de décollement de Griffith, calcule le comportement<br />viscoélastique du composite MR. La complexité de la microstructure et son évolution ont été évaluées,<br />sous champ, par des cycles quasi-statiques (aboutissant à des σ de -40kPa à ε=0) et des mesures de<br />magnétostriction. D'autres propriétés originales peuvent être obtenues : piézorésistivité, bandes<br />périodiques (guides magnétiques).

Le développement et l’utilisation de nouveaux matériaux, tel que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), a permis un accroissement sensible des densités d’énergie traitées par les nouveaux composants de l’électronique de puissance, assortie d’une augmentation de leur compacité. Parallèlement à ces progrès technologiques, la généralisation de l’électricité en tant que vecteur d’énergie primaire au sein de systèmes de plus en plus répartis, incluant des moyens de traitement de l’information au plus près de la fonction réalisée, ouvre la voie à une nouvelle génération de systèmes mécatroniques hautement intégrés. Or, l’émergence de ces nouvelles fonctions soulève une question critique liée au mode de refroidissement de ces éléments. Cette question est intimement couplée aux aspects énergétiques et à leur impact environnemental, imposant une amélioration significative des rendements énergétiques mesurés à l’échelle de la fonction complète. C’est dans ce contexte que l’étude présentée traite tout d’abord de systèmes de récupération de la chaleur résiduelle dissipée au sein de systèmes électroniques de puissance en vue d’alimenter de manière autonome des capteurs, où autres systèmes fonctionnels, via l’énergie « ambiante » ainsi récupérée. Parmi les consommateurs plus particulièrement ciblés, des fonctions innovantes d’intensification par voie électromécanique des échanges de chaleurs au sein d’échangeurs thermique sont étudiées et mises en œuvre. A terme, l’idée serait ainsi d’alimenter les systèmes d’actionnement assurant l’optimisation des échanges de chaleur au sein du système de refroidissement d’une carte électronique au moyen même de la chaleur qu’elle dissipe, récupérée sous forme d’énergie électrique. A cette fin, les différents procédés de conversion de la chaleur en électricité sont examinés, modélisés et mis en œuvre dans la suite de ce travail. Deux types de conversion d’énergie complémentaires sont tour à tour considérés : La conversion par effet thermoélectrique, utilisant l’effet Seebeck qui a lieu en présence d’un gradient de température et l’effet pyroélectrique qui apparait en présence de variation temporelle de la température. Ces deux phénomènes sont analysés et décrits à l’aide de modélisations physiques et comportementales, incluant une approche expérimentale ayant nécessité la mise en place de bancs d’essai spécifiques. L’électricité récupérée par conversion pyroélectrique est par la suite mise en forme grâce à des systèmes de redressement à faible tension de seuil spécialement développés. La faisabilité de systèmes d’alimentation autonomes de capteurs déportés, où de systèmes d’émission (ponctuelle) de mesure, est alors concrètement démontrée en se basant sur les résultats obtenus. Ouvrant la voie à un concept de refroidissement actif des puces électroniques, tirant directement parti de la chaleur dissipée pour son alimentation grâce aux deux procédés préalablement étudiés, la problématique de l’intensification des transferts de chaleur au sein de boucles de refroidissement mécaniquement activées est abordée dans la dernière partie du mémoire. Cette activation est réalisée à l’aide d’un système d’actionnement multicellulaire réparti à base d’actionneurs piézoélectriques. Développée en étroite collaboration avec des équipes de thermodynamiciens, l’idée est de réaliser un pompage de fluide ainsi qu’une modification des échanges de chaleur au sein d’un système de transfert de chaleur en activant les parois de l’échangeur de chaleur par déformation. Le système d’actionnement préconisé est tout d’abord étudié et simulé par un calcul par éléments finis. Un prototype est construit et caractérisé sous conditions réelles dans un deuxième temps. [...] / The development and use of new materials, such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) has a significant increase in energy densities handled by the new components of power electronics, accompanied by an increase in compactness. Parallel to these technological advances, the widespread use of electricity as a primary energy carrier within systems increasingly distributed, including means for processing information closer to the function carried out, paving the way a new generation of highly integrated mechatronic systems. However, the emergence of these new features raises a critical question related to cooling mode thereof. This question is closely coupled to the energy aspects and their environmental impact, imposing a significant improvement in measured across the full energy function returns. It is in this context that the present study deals firstly recovery systems waste heat dissipated in power electronic systems for autonomous power sensors, where other functional systems via energy "room" and recovered. Particularly among targeted consumers, innovative features intensification electromechanically exchanges heat in heat exchangers are studied and implemented. Eventually, the idea would be to supply the operating systems for the optimization of heat exchange in the cooling system of an electronic card in the same way that heat dissipates, recovered in the form of electrical energy. To this end, various methods of conversion of heat into electricity are considered, modeled and implemented in the course of this work. Two complementary types of energy conversion are considered in turn : The thermoelectric conversion effect by using the Seebeck effect which takes place in the presence of a temperature gradient and the pyroelectric effect that appears in the presence of temporal variation of the temperature. These two phenomena are analyzed and described using physical and behavioral models, including an experimental approach requiring the establishment of specific test benches. The electricity recovered by pyroelectric conversion is then formatted with recovery systems, low voltage specially developed threshold. The feasibility of remote sensors autonomous supply, where emission (point) measuring systems, is then demonstrated concretely based on the results systems. Paving the way to a concept of active cooling computer chips, drawing directly from the heat dissipated for food through two methods previously studied the problem of intensification of heat transfer in cooling loops mechanically activated is discussed in the latter part of the memory. This activation is carried out using a distributed drive system multicellular based piezoelectric actuators. Developed in close collaboration with teams of thermodynamics, the idea is to provide a fluid pump and a change of heat transfer in a heat transfer system by activating the walls of the heat exchanger deformation. The operating system is called first studied and simulated by a finite element calculation. A prototype is built and characterized under actual conditions in a second time. The multicellular actuating system composed of a plurality of actuators and a supply system configurable multipath is then integrated into an exchange of heat testbed specifically developed. This experience is a fundamental first step in the development of electroactive systems, potentially autonomous, allowing the intensification of heat exchange in cooling loops for high-performance power electronics.

Les matériaux composites prennent une place de plus en plus importante dans la conception et la fabrication des moyens de transport et notamment dans le domaine naval où ils sont particulièrement privilégiés. En effet, ces matériaux sont utilisés pour leur légèreté, insensibilité à la corrosion et leurs caractéristiques mécaniques. Dans le domaine militaire, où l'optimisation des moyens de communication et de protection électromagnétique est primordiale, le développement de matériaux composites dotés de propriétés de reconfigurabilité sous commande(s) externe(s), présente un atout opérationnel majeur pour les parois structurales exploitant ces matériaux. Afin d'explorer cette voie, DCNS et l'Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes (IETR, UMR-6164) se sont associés. Les travaux de thèse engagés ont pour objectif d'étudier et de développer des matériaux composites présentant des fonctions de reconfigurabilité applicables aux systèmes navals tels que les radômes, les antennes et exploitables pour répondre aux problématiques de furtivité (SER). Une première étude a permis d'explorer les matériaux à base de carbone, présentant une potentielle agilité de leurs caractéristiques diélectriques sous actuateur électrique. Ces matériaux présentent également un fort pouvoir absorbant électromagnétique, tributaire des propriétés diélectriques, elles-mêmes potentiellement reconfigurables. La seconde étude engagée a étudié l'impact des matériaux ferroélectriques, c'est-à-dire des matériaux reconfigurables sous champ électrique, lorsqu'ils sont intégrés comme charge dans une résine d'imprégnation. Ce nouveau matériau composite présente alors une reconfigurabilité de ses caractéristiques diélectriques, rendant commandable en fréquence sa structure hôte. Une troisième étude, exploitant aussi le matériau ferroélectrique a permis l'obtention d'une reconfigurabilité des caractéristiques de réflectivité de panneaux composites grâce au développement de surfaces sélectives en fréquence reconfigurables. De nouvelles propriétés ont ainsi été mises en évidence en hyperfréquences. Enfin, les matériaux d'âmes et spécifiquement les nids d'abeilles diélectriques ont fait l'étude d'une fonctionnalisation pour des applications DC et hyperfréquences. / Composite materials are used for their lightness, high resistance to corrosion and high mechanical properties over large application areas, such as naval, ground and aerial. Collaboration between DCNS group and the Institute of Electronics and Telecommunications of Rennes (IETR, UMR-6164) has been initiated to develop smart composite materials with tunable properties at microwaves. Three different routes have been investigated during the thesis work. The first one is based on carbon composite material, its electromagnetic absorbing ability and its potential dielectric tunability. For this, we develop composite materials loaded with various carbon particles (carbon nanotube, graphene, black carbon). Next, to elaborate smart composite materials, a ferroelectric material has been used as filler. The dielectric characteristics of such materials can be tuned under external biasing for example. Thus we develop an active composite material under various external actuators for naval application, and especially for new reconfigurable frequency selective surface (RFSS). Finally dielectric honeycomb materials have been specifically elaborated and studied to develop smart properties for DC and microwave applications. During this work, three different prototypes improving composite materials in naval area have been performed: reconfigurable radome, RCS reduction, and antenna isolation.