Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet Autonotex et vise à développer un textile connecté et autonome en énergie. Le textile permettra de monitorer des draps médicaux et des sous-vêtements professionnels. Le principal objectif est de s’affranchir des batteries traditionnelles dans les smart textiles et développer un textile qui utilisera les mouvements du corps humain comme source d’énergie pour alimenter les capteurs placés aux endroits stratégiques sur les vêtements. Pour relever ce challenge, le projet Autonotex s’est basé sur le développement de nouvelles fibres piézoélectriques. Ces matériaux permettent de générer un fort potentiel électrique lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations mécaniques. Dans un contexte textile, le polymère polyfluorure de vinylidène (PVDF) a été utilisé pour la production de multi-filaments par procédé de filage en voie fondue. Ce polymère est connu pour son caractère piézoélectrique lorsqu’il se trouve dans une certaine conformation cristalline. Le premier enjeu du sujet de thèse est donc d’optimiser cette phase lors du procédé de production des filaments. Par la suite, deux stratégies ont été envisagées. Dans un premier cas, les filaments 100 % PVDF sont utilisés pour la fabrication d’étoffes textiles qui une fois instrumentées par des électrodes permettent de générer une tension de sortie électrique. Un premier prototype d’une étoffe piézoélectrique couplée à des électrodes imprimées en 3D a permis de vérifier la faisabilité du dispositif. La seconde stratégie a été de développer un filament tricomposant, formé par le polymère piézoélectrique et deux couches de composites polymères conducteurs jouant le rôle d’électrodes. / This study is part of the Autonotex project and aims to develop a connected and autonomous energy textile. The textile is intended for the manufacture of medical sheets monitoring patients and professional underwear. The main objective is to overcome the traditional batteries in smart textiles and develop a textile that will use the movements of the human body as a battery to power sensors placed strategically on clothing. To meet this challenge, the Autonotex project is focused in part on the development of new piezoelectric fibers. These materials generate a high electrical potential when subjected to mechanical stresses. In this new context, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) polymer can be used to produce multi-filaments by melt spinning process. This polymer is known for its piezoelectric property linked its crystalline forms. The first issue of the PhD subject is to optimize this phase during the process of production of the filaments. Subsequently, two strategies were considered. In a first case, the 100% PVDF filaments are used for the production of textile fabrics which, once instrumented by electrodes, generate an electrical output voltage. A first prototype of a piezoelectric fabric coupled to electrodes by 3D-printing allows checking the feasibility of the plan. The second strategy was to develop a tri-component filament formed by the piezoelectric polymer and two layers of conducting polymer composites acting as external/internal electrodes.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les développements récents des applications d’électronique portable demande de plus en plus l’utilisation de systèmes de récupération d’énergie à partir de sources environnantes de basse énergie. La conversion piézoélectrique à partir de sources vibratoire pourrait être un moyen intéressant pour l’alimentation électrique de petits systèmes. Dans ce travail, nous investiguons les potentialités de films de polymère bio-sourcé à base de polyamide 11 (PA11). Dans un premier temps, les effets de traitements physiques ou chimiques sur le développement des phases cristallines du PA11 ont été longuement étudiés. Dans un deuxième temps, des nano-argiles ont été utilisées comme modificateurs de structure dans la matrice PA11. Des nanocomposites de PA11/argile ont été réalisés en utilisant des argiles en feuillets et en nanotubes par extrusion. L’effet de ces argile n’est pas significatif sur la qualité structurale des composites obtenus. L’ajout d’argile en feuillets (cloisite 20A, cloisite 10A et cloisite Na+)conduit à une amélioration des caractéristiques mécaniques alors que l’ajout de silicates tubulaires (nanotubes d’halloysite) n’a pas d’effet significatif. Parmi tous les nanocomposites préparés, le nanocomposite chargé de Cloisite Na+ a montré la meilleure propriétés piézoélectriques. Il semble que la polarité plus élevée de la Cloisite Na+ puisse être à l’origine de la meilleure réponse à la polarisation de ces composites. Une méthode spécifique de quantification de la récupération d’énergie vibratoire a été développée pour ces composites polymères/argile. Les capacités de récupération d’énergie par vibration ont été étudiées sur l’argile PA11 chargée de Cloisite Na+. / In the last few years it has been an increasing demand for the elaboration of flexible energy conversion sources due to the rapid increase in the usage of portable electronic devices. The piezoelectric conversion from vibration sources could be an interesting way to charge small systems. In this work, we investigate the potential of bio-based polyamide 11 (PA11) polymer films. At first, the effect of physical and chemical treatments on the development of crystalline phases in polyamide 11 has been thoroughly investigated. In a second step, nanoclays have been used as structural modifiers in PA 11 matrix. Nanocomposites were prepared using layered and tubular clays by melt-blending process and it was found that addition of layered silicates (cloisite 20A, cloisite 10A and cloisite Na+) results in an increase in mechanical properties, while the addition of tubular silicates (halloysite nanotube) has no significant effect. Addition of clay is not significant on the structural quality of the obtained nanocomposites. PA11 nanocomposite loaded with Cloisite Na+ have shown the best piezoelectric properties. It appears that the higher value of the polarity of Cloisite Na + may be responsible of the best answer to the polarization of the composites. A specific method for the quantification of energy vibration recovery has been developed for these nanocomposites. The capabilities of vibrational energy recovery were studied on PA11 loaded with Cloisite Na+.

La société TRAXENS propose une solution innovante permettant le suivi de l'état d'un conteneur (position, température, chocs, etc.). Ce service est basé sur un capteur sans fil appelé TRAXENS-BOX dont la durée de vie doit être étendue avec un volume de batterie limité. La présence d'une quantité d'énergie vibratoire non négligeable dans l'environnement du conteneur multimodal oriente donc vers la récupération d'énergie vibratoire. L'objectif principal de ce travail de thèse est donc d'identifier une solution permettant de récupérer l'énergie vibratoire dans le contexte particulier du conteneur caractérisé notamment par des vibrations verticales, aléatoires et très basses fréquences.On commence donc par introduire un modèle complet de récupérateur d'énergie vibratoire électromagnétique basé sur un oscillateur à un degré de liberté avant d'étudier son comportement lorsqu'il est soumis à des excitations harmoniques puis aléatoires ; on peut alors en déduire des règles de dimensionnement permettant la conception d'un récupérateur d'énergie vibratoire linéaire hautes performances. Le modèle est ensuite utilisé pour prouver l'intérêt de l'introduction d'une non-linéarité de Duffing dans la raideur du récupérateur, notamment sous les vibrations du transport routier. La partie théorique se termine alors par une comparaison mettant en opposition plusieurs configurations de récupérateur dans le cadre de l'application TRAXENS-BOX ; la solution retenue est l'utilisation d'une raideur non-linéaire HSLD (High Static Low Dynamic).On propose ensuite la conception optimisée puis la fabrication d'un démonstrateur linéaire hautes performances qui nous permet de valider les règles de dimensionnement énoncés dans la partie théorique. Enfin, le démonstrateur est modifié de manière à obtenir un comportement HSLD et prouver la faisabilité de ce concept. / TRAXENS company proposes an innovative solution to enable the monitoring of shipping containers (position, temperature, shocks, etc.). This service is based on a wireless sensor called TRAXENS-BOX whose lifetime must be extended by maintaining a small energy storage volume. In the environment of a shipping container, the presence a non-negligible amount of vibration makes energy harvesting a viable solution. The main objective of this work is to identify the means to scavenge vibration energy in the singular context of shipping container characterized by very low frequency, random and vertical vibration.First, a general electromagnetic vibration energy harvester model based on a single degree of freedom oscillator is introduced before analyzing its behavior when submitted to harmonic and random excitations ; rules to design high performances linear vibration energy harvester are then deduced. Henceforth, the model is used to prove the interest of introducing a Duffing nonlinearity in the harvester stiffness, especially under road induced vibration. The theoretical part ends with performance comparison between several harvester configurations within TRAXENS-BOX context ; the chosen solution is the use of a HSLD (High Static Low Dynamic) stiffness.Then, the design and fabrication of a linear high performances prototype is conducted to validate design rules drawn from the theoretical part. Finally, a HSLD stiffness is added to the prototype to prove the feasibility of this technique.

L’extension des systèmes de télécommunication génère de plus en plus des ondes électromagnétiques dans notre environnement aux fréquences et puissances très variées. Le temps est venu de faire une étude approfondie sur les possibilités potentielles que nous avons d’utiliser l’énergie contenue dans les ondes électromagnétiques pour alimenter des applications électroniques. L’idée est d’utiliser une ou plusieurs antennes pour récupérer les ondes électromagnétiques disponibles, suivies par un convertisseur des signaux RF/DC. / The work of this thesis is focuse on designing, measuring and testing an antenna and rectifiercircuit (RECTENNA) optimized for incoming signals of low power density (~651W/m²). The rectenna is used to harvest the ambient electric energy from the RF signals that have been radiated by communication and broadcasting systems at (1GHz-3GHz) without matching circuit and the second is a narrow band (1.8GHz-1.9GHz) with a matching circuit between the antenna and the rectifier.

Le présent projet a porté sur la simulation de récupération de chaleur pour le traitement thermique de l'air de ventilation d'un aréna. La chaleur récupérée provenait des rejets thermiques des condenseurs du système de réfrigération de la patinoire. Deux configurations ont été testées : la récupération directe et la récupération à l'aide d'un échangeur de chaleur. La récupération directe apportait des économies de 24 % de demande en chauffage au cours de l'année. Un échangeur de chaleur dimensionné pour répondre aux pointes de débit de ventilation occasionné par les opérations de surfaçage permettait une diminution de 61 % de la demande en chauffage. En utilisant un échangeur de chaleur dimensionné pour les périodes de fonctionnement normal seulement, la demande diminuait de 52 %, malgré un échangeur trois fois plus petit. Cet échangeur ayant le meilleur rapport économies/dimension, il a été utilisé pour évaluer l'impact environnemental et économique de la récupération de chaleur. L'analyse environnementale révèle que les impacts sur les changements climatiques et l'extraction de ressources sont grandement réduits, et que l'impact sur la santé humaine et les écosystèmes est légèrement diminué. De plus, il est évident que la phase d'utilisation est la principale source d'impact, et que celui-ci est fortement affecté par la source d'énergie utilisée pour le chauffage et la production d'électricité. Finalement, l'analyse économique prédit un taux de rendement de 19 % à 27 % pour l'investissement initial, selon les coûts d'énergie.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le développement des capteurs autonomes et leurs applications dans les « smart-cities », nécessitent de nouvelles méthodes de production d’énergie, basées sur la récupération de l’énergie ambiante. Dans ce contexte, le projet N-air-J a pour objectif de réaliser des microgénérateurs,basés sur des films piézoélectriques flexibles, capables de récupérer l’énergie des courants d’airs. Les travaux réalisés dans cette thèse concernent la réalisation des couches minces piézoélectriques de zircono-titanate de plomb (PZT) déposées sur une feuille d’aluminium, ainsi que les caractérisations structurales, diélectriques, ferroélectriques, et piézoélectriques associées. L’optimisation du générateur est basée sur un procédé de transfert original du PZT depuis l’aluminium vers un substrat polymère. L’intérêt du transfert vers un substrat souple et isolant est de pouvoir réaliser une configuration d’électrodes interdigitées (IDE). Les propriétés de récupération d’énergie des deux configurations PZT/Al et PZT/polymère ont été testées, et la densité d’énergie produite est similaire à l’état de l’art pour des structures plus rigides. L’utilisation d’électrodes IDE a prouvé son intérêt par la génération d’une tension de sortie de plusieurs dizaines de volt. Un modèle analytique a été développé afin d’étudier le comportement de la poutre piézoélectrique utilisée dans ces travaux. Les études expérimentales ont permis de quantifier l’influence des frottements de l’air sur le comportement vibratoire de la poutre. La simulation de l’interaction fluide structure a montré la possibilité d’augmenter les déformations de plusieurs brins au sein d’un réseau de générateurs. / New methods for energy generation based on the ambient energy harvesting are required for autonomous sensors development and their applications in the “smartcities”. In this context, N-air-J project aims to realize micro-generators based on flexible piezoelectric films, able to harvest energy from the breeze. The work presented in this thesis is about the deposition of lead zirconate titanate (PZT) thin layer on aluminium thin foil. Structural, dielectric, ferroelectric and piezoelectric characterizations were realized. The generator optimization is focused on the PZT transfer from aluminium to polymer substrate. The technological process has been developed for the transfer. The use of an insulating and elastic substrate is very interesting for the realization of an interdigitated (IDE) electrode configuration. Energy harvesting properties of the two configurations, PZT/Al and PZT/polymer, were tested. Energy densities were found similar to those of more rigid structures presented in the literature. The use of the IDE confirms its great interest by delivering a voltage of several tens of volts.An analytical model was developed to study the behaviour of the piezoelectric beam used in this work. Experimental studies quantify the influence of air friction on the beam vibratory behaviour. Fluid-structure interaction simulation has demonstrated the possibility for improving the deformations of several beams in a generators network.

Les conditions de déplacement de l'huile en géométries simples sont étudies en fonction des caractéristiques bien identifiables de fluides viscoélastiques. Dans ces expériences de déplacement immiscible, une huile de viscosité inférieure sera déplacée par un fluide newtonien de référence et par des fluides viscoélastiques que nous allons choisir, formuler et caractériser. Les expériences de déplacement dans une cellule Hele-Shaw mettent en évidence que le caractère élastique des formulations modifie les conditions de déplacement, surtout à vitesses élevées. De même nous pouvons observer une série d'expériences où la tension interfaciale du système fluide - huile a été diminuée pour monter que l'effet de l'élasticité apparaît sous ces conditions. Nous pouvons aussi observer comme les tendances se maintiennent à niveau microscopique, où la pénétration des fluides viscoélastiques dans des pores modèle est plus prononcée par rapport a un fluide newtonien. Finalement nous proposons un modèle simple qui prend en compte les propriétés élastiques des fluides en la déformation de l'interface fluide / huile que donne comme résultat une différence dans le déplacement immiscible quand on compare par rapport aux fluides newtoniens