O processo de microfabricação por coextrusão (MFCX) foi estudado a fim de obter compósitos de zirconato titanato de chumbo (PZT), por meio da fabricação de fibras. O princípio desta técnica é a redução dimensional de um pré-formato cilíndrico formado pelos materiais já nas posições e proporções desejadas ao longo da secção transversal em filamentos mais finos, através da passagem por um molde. Tais componentes devem possuir o mesmo comportamento reológico para que possam fluir juntos, fazendo com que o pré-formato sofra apenas uma redução da secção transversal ao passar pela boquilha. Entre tais componentes, o material principal é uma suspensão concentrada de pó de PZT e polietileno de baixa densidade (PEBD). Este fornece a característica termoplástica para a mistura e auxilia na resistência mecânica a verde. Existe ainda, o material provisório, o qual já havia sido estudado e foi trocado de negro de fumo (NF) para celulose microcristalina (MCC), uma vez que com o uso de NF, um resíduo inorgânico foi verificado após a etapa de retirada do ligante o qual poderia influenciar na microestrutura e nas propriedades piezoelétricas do PZT, causando queda na polarização obtida. Para caracterizar a reologia das misturas, foram usados pré-formatos cilíndricos formados por metades de diferentes materiais com secção transversal semicircular, tendo como composição padrão 58 vol. % de PZT + PEBD. Já os materiais provisórios foram estudados nas seguintes composições: 25 vol. % de NF + PEBD, 31 vol. % de MCC + PEBD e 41 vol. % de MCC + ácido esteárico (AE) + PEBD. Os filamentos obtidos após a passagem pelo molde foram caracterizados e posteriormente comparados entre si, a fim de verificar a influência do material fugitivo e dos aditivos na microestrutura. A capacidade do pré-formato de manter o equilíbrio das dimensões e proporções após a coextrusão também foi verificada por meio de análise de imagem. Verificou-se que as misturas de MCC + PEBD e PZT + PEBD não foram capazes de fluir concomitantemente mesmo quando ambas apresentavam a mesma viscosidade. Assim, a reologia foi estudada considerando não apenas a viscosidade, mas também as propriedades de deslizamento na parede do molde para este sistema. Depois de modificações na composição e parâmetros do processo, foi obtida uma equivalência adequada entre os materiais, concluindo que a coextrusão de dois materiais compondo um pré-formato de seção transversal complexa pode ser bem-sucedida quando as mesmas velocidades de deslizamento na parede e as mesmas viscosidades corrigidas puderem ser encontradas para a mesma taxa de cisalhamento. / The process of microfabrication by coextrusion (MFCX) was investigated to obtain composites of lead zirconate titanate (PZT), through the fabrication of PZT fibers. The principle of this technique is the reduction of a preform formed of concentrated suspensions in the positions and proportions desired, into filaments thinner after passing through a die. Such materials must have the same rheological behavior so they can flow together, making the preform to suffer only a reduction in the cross section to pass through the capillary. The main material was a concentrated suspension of PZT powder and low density polyethylene (LDPE), which provides the thermoplastic characteristic for the mixture and improves the mechanical strength at green state. In the other hand, the fugitive material was changed from carbon black (CB) into microcrystalline cellulose (MCC), once with the use of CB, an inorganic residue was found after the step of debinding. Furthermore, the CB impurities could influence the piezoelectric properties of PZT, causing a drop in the polarization measured. The rheological characterization employed preforms with cross section geometry of a half moon, with a standard composition of 58 vol. % PZT. Meanwhile, the fugitive materials were studied using the following compositions: 25 vol. % CB + LDPE, 31 vol. % MCC + LDPE and 41% vol. MCC + stearic acid (ST) + LDPE. The filaments obtained were characterized and then compared to verify the influence of the fugitive material and the additives on the microstructure. The ability of the preform to maintain the balance of the dimensions and proportions after co-extrusion was also verified by image analysis. It was found that mixtures of MCC + LDPE and CB + LDPE were not able to flow simultaneously. Thus, the rheology was studied considering not only the viscosity but also the properties of slip on the wall of the capillary die. After changing the composition and process parameters, a good match between the materials could be obtained, which allowed the coextrusion in the shape of half moon, getting a constant and well defined reduction of the diameter.

O processo de microfabricação por coextrusão (MFCX) foi estudado a fim de obter compósitos de zirconato titanato de chumbo (PZT), por meio da fabricação de fibras. O princípio desta técnica é a redução dimensional de um pré-formato cilíndrico formado pelos materiais já nas posições e proporções desejadas ao longo da secção transversal em filamentos mais finos, através da passagem por um molde. Tais componentes devem possuir o mesmo comportamento reológico para que possam fluir juntos, fazendo com que o pré-formato sofra apenas uma redução da secção transversal ao passar pela boquilha. Entre tais componentes, o material principal é uma suspensão concentrada de pó de PZT e polietileno de baixa densidade (PEBD). Este fornece a característica termoplástica para a mistura e auxilia na resistência mecânica a verde. Existe ainda, o material provisório, o qual já havia sido estudado e foi trocado de negro de fumo (NF) para celulose microcristalina (MCC), uma vez que com o uso de NF, um resíduo inorgânico foi verificado após a etapa de retirada do ligante o qual poderia influenciar na microestrutura e nas propriedades piezoelétricas do PZT, causando queda na polarização obtida. Para caracterizar a reologia das misturas, foram usados pré-formatos cilíndricos formados por metades de diferentes materiais com secção transversal semicircular, tendo como composição padrão 58 vol. % de PZT + PEBD. Já os materiais provisórios foram estudados nas seguintes composições: 25 vol. % de NF + PEBD, 31 vol. % de MCC + PEBD e 41 vol. % de MCC + ácido esteárico (AE) + PEBD. Os filamentos obtidos após a passagem pelo molde foram caracterizados e posteriormente comparados entre si, a fim de verificar a influência do material fugitivo e dos aditivos na microestrutura. A capacidade do pré-formato de manter o equilíbrio das dimensões e proporções após a coextrusão também foi verificada por meio de análise de imagem. Verificou-se que as misturas de MCC + PEBD e PZT + PEBD não foram capazes de fluir concomitantemente mesmo quando ambas apresentavam a mesma viscosidade. Assim, a reologia foi estudada considerando não apenas a viscosidade, mas também as propriedades de deslizamento na parede do molde para este sistema. Depois de modificações na composição e parâmetros do processo, foi obtida uma equivalência adequada entre os materiais, concluindo que a coextrusão de dois materiais compondo um pré-formato de seção transversal complexa pode ser bem-sucedida quando as mesmas velocidades de deslizamento na parede e as mesmas viscosidades corrigidas puderem ser encontradas para a mesma taxa de cisalhamento. / The process of microfabrication by coextrusion (MFCX) was investigated to obtain composites of lead zirconate titanate (PZT), through the fabrication of PZT fibers. The principle of this technique is the reduction of a preform formed of concentrated suspensions in the positions and proportions desired, into filaments thinner after passing through a die. Such materials must have the same rheological behavior so they can flow together, making the preform to suffer only a reduction in the cross section to pass through the capillary. The main material was a concentrated suspension of PZT powder and low density polyethylene (LDPE), which provides the thermoplastic characteristic for the mixture and improves the mechanical strength at green state. In the other hand, the fugitive material was changed from carbon black (CB) into microcrystalline cellulose (MCC), once with the use of CB, an inorganic residue was found after the step of debinding. Furthermore, the CB impurities could influence the piezoelectric properties of PZT, causing a drop in the polarization measured. The rheological characterization employed preforms with cross section geometry of a half moon, with a standard composition of 58 vol. % PZT. Meanwhile, the fugitive materials were studied using the following compositions: 25 vol. % CB + LDPE, 31 vol. % MCC + LDPE and 41% vol. MCC + stearic acid (ST) + LDPE. The filaments obtained were characterized and then compared to verify the influence of the fugitive material and the additives on the microstructure. The ability of the preform to maintain the balance of the dimensions and proportions after co-extrusion was also verified by image analysis. It was found that mixtures of MCC + LDPE and CB + LDPE were not able to flow simultaneously. Thus, the rheology was studied considering not only the viscosity but also the properties of slip on the wall of the capillary die. After changing the composition and process parameters, a good match between the materials could be obtained, which allowed the coextrusion in the shape of half moon, getting a constant and well defined reduction of the diameter.

O processo de microfabricação por coextrusão (MFCX) foi estudado a fim de obter compósitos de zirconato titanato de chumbo (PZT), por meio da fabricação de fibras. O princípio desta técnica é a redução dimensional de um pré-formato cilíndrico formado pelos materiais já nas posições e proporções desejadas ao longo da secção transversal em filamentos mais finos, através da passagem por um molde. Tais componentes devem possuir o mesmo comportamento reológico para que possam fluir juntos, fazendo com que o pré-formato sofra apenas uma redução da secção transversal ao passar pela boquilha. Entre tais componentes, o material principal é uma suspensão concentrada de pó de PZT e polietileno de baixa densidade (PEBD). Este fornece a característica termoplástica para a mistura e auxilia na resistência mecânica a verde. Existe ainda, o material provisório, o qual já havia sido estudado e foi trocado de negro de fumo (NF) para celulose microcristalina (MCC), uma vez que com o uso de NF, um resíduo inorgânico foi verificado após a etapa de retirada do ligante o qual poderia influenciar na microestrutura e nas propriedades piezoelétricas do PZT, causando queda na polarização obtida. Para caracterizar a reologia das misturas, foram usados pré-formatos cilíndricos formados por metades de diferentes materiais com secção transversal semicircular, tendo como composição padrão 58 vol. % de PZT + PEBD. Já os materiais provisórios foram estudados nas seguintes composições: 25 vol. % de NF + PEBD, 31 vol. % de MCC + PEBD e 41 vol. % de MCC + ácido esteárico (AE) + PEBD. Os filamentos obtidos após a passagem pelo molde foram caracterizados e posteriormente comparados entre si, a fim de verificar a influência do material fugitivo e dos aditivos na microestrutura. A capacidade do pré-formato de manter o equilíbrio das dimensões e proporções após a coextrusão também foi verificada por meio de análise de imagem. Verificou-se que as misturas de MCC + PEBD e PZT + PEBD não foram capazes de fluir concomitantemente mesmo quando ambas apresentavam a mesma viscosidade. Assim, a reologia foi estudada considerando não apenas a viscosidade, mas também as propriedades de deslizamento na parede do molde para este sistema. Depois de modificações na composição e parâmetros do processo, foi obtida uma equivalência adequada entre os materiais, concluindo que a coextrusão de dois materiais compondo um pré-formato de seção transversal complexa pode ser bem-sucedida quando as mesmas velocidades de deslizamento na parede e as mesmas viscosidades corrigidas puderem ser encontradas para a mesma taxa de cisalhamento. / The process of microfabrication by coextrusion (MFCX) was investigated to obtain composites of lead zirconate titanate (PZT), through the fabrication of PZT fibers. The principle of this technique is the reduction of a preform formed of concentrated suspensions in the positions and proportions desired, into filaments thinner after passing through a die. Such materials must have the same rheological behavior so they can flow together, making the preform to suffer only a reduction in the cross section to pass through the capillary. The main material was a concentrated suspension of PZT powder and low density polyethylene (LDPE), which provides the thermoplastic characteristic for the mixture and improves the mechanical strength at green state. In the other hand, the fugitive material was changed from carbon black (CB) into microcrystalline cellulose (MCC), once with the use of CB, an inorganic residue was found after the step of debinding. Furthermore, the CB impurities could influence the piezoelectric properties of PZT, causing a drop in the polarization measured. The rheological characterization employed preforms with cross section geometry of a half moon, with a standard composition of 58 vol. % PZT. Meanwhile, the fugitive materials were studied using the following compositions: 25 vol. % CB + LDPE, 31 vol. % MCC + LDPE and 41% vol. MCC + stearic acid (ST) + LDPE. The filaments obtained were characterized and then compared to verify the influence of the fugitive material and the additives on the microstructure. The ability of the preform to maintain the balance of the dimensions and proportions after co-extrusion was also verified by image analysis. It was found that mixtures of MCC + LDPE and CB + LDPE were not able to flow simultaneously. Thus, the rheology was studied considering not only the viscosity but also the properties of slip on the wall of the capillary die. After changing the composition and process parameters, a good match between the materials could be obtained, which allowed the coextrusion in the shape of half moon, getting a constant and well defined reduction of the diameter.

This diploma thesis deals with the modelling of the piezoelectric composite material using the finite element method. The thesis is divided into three parts. Research study is done in the first part. It focuses on the possibility of use of the piezoelectric layers as sensors. The second part concerns the homogenization of MFC (macro fiber composite). Material and piezoelectric parameters are obtained by modelling elementary structural cell under different loading conditions. Determined characteristics are verified with experimental data. The third part proposes the design of the experimental device, which allows the simulation of the rotor excitation by rotating unbalance. Excitation responses of MFCs placed in specific locations are calculated using FEA model of the device. The conclusion includes the description of the suitability to vibration measurement on the device.

Ce travail porte sur la réalisation de capteurs interdigités (IDT pour InterDigital Transducer) sur des supports piézoélectriques. L’enjeu est double puisqu’il s’agit premièrement de disposer de capteurs efficaces pour générer des ondes de surface acoustiques (SAW pour Surface Acoustic Wave) afin de caractériser la qualité des revêtements et des surfaces de structures. Le deuxième objectif de cette étude est de rendre ces capteurs IDT flexibles afin qu’ils puissent s’adapter non seulement aux différentes géométries planes ou non mais aussi pour qu’ils soient capables de supporter les déformations des structures au cours de leur utilisation. En général, les matériaux piézoélectriques sont rigides et le caractère souple des matériaux est souvent en opposition avec les performances piézoélectriques de ces derniers ; nous avons donc développé des matériaux qui répondent à ces deux exigences : la performance piézoélectrique et la souplesse. Enfin, nous avons privilégié des technologies relativement bon marché pour développer ces capteurs afin d’envisager par la suite, un contrôle continu des structures en intégrant ces capteurs à demeure sur ces dernières. / This work deals with the realization of interdigital sensors (IDT for InterDigital Transducer) on piezoelectric substrates. There is a dual challenge since firstly, the aim is to have efficient sensors to generate surface acoustic waves (SAW) in order to characterize the quality of the coatings and structure surfaces. The second objective of this study is to make these IDT sensors flexible so as to adapt to different geometries of structures and to be able to put up with the deformations of structures in use. Typically, piezoelectric materials are rigid and the flexible nature of the materials is often in opposition to the piezoelectric performance of the latter. We developed materials that meet these two requirements: piezoelectricity and flexibility. Finally, we gave greater importance to relatively cheap technologies to develop these sensors because this allows then to consider continuous monitoring (structural health monitoring) by incorporating these sensors permanently on the structures to be tested.

The existence of polymer constituent in piezoelectric fiber composites (PFCs) could lead to significant viscoelastic behaviors, affecting overall performance of PFCs. High mechanical and electrical stimuli often generate significant amount of heat, increasing temperatures of the PFCs. At elevated temperatures, most materials, especially polymers show pronounced time-dependent behaviors. Predicting time-dependent responses of the PFCs becomes important to improve reliability in using PFCs. We study overall performance of PFCs having unidirectional piezoceramic fibers, such as PZT fibers, dispersed in viscoelastic polymer matrix. Two types of PFCs are studied, which are active fiber composites (AFCs) and macro fiber composites (MFCs). AFCs and MFCs consist of unidirectional PZT fibers dispersed in epoxy placed between two interdigitated electrode and kapton layers. The AFCs have a circular fiber cross-section while the MFCs have a square fiber cross-section. Finite element (FE) models of representative volume elements (RVEs) of active PFCs, having square and circular fiber cross-sections, are generated for composites with 20, 40, and 60 percent fiber contents. Two FE micromechanical models having one fiber embedded in epoxy matrix and five fibers placed in epoxy matrix are considered. A continuum 3D piezoelectric element in ABAQUS FE is used. A general time-integral function is applied for the mechanical, electrical, and piezoelectric properties in order to incorporate the time-dependent effect and histories of loadings. The effective properties of PZT-5A/epoxy and PZT-7A/LaRC-SI piezocomposites determined from the FE micromechanical models are compared to available experimental data and analytical solutions in the literature. Furthermore, the effect of viscoelastic behaviors of the LaRC-SI matrix at an elevated temperature on the overall electro-mechanical and piezoelectric constants are examined.