Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés principalement à la récupération de l'énergie mécanique et plus particulièrement l'énergie vibratoire. Cette technologie repose sur l'utilisation des transducteurs résonants, ces dispositifs permettent d'amplifier l'amplitude de vibration et donc de stocker d'avantage d'énergie mécanique dans le convertisseur à la résonance. La quantité de l'énergie en sortie du convertisseur chute lorsque la fréquence de vibration n'est plus égale à la fréquence de résonance, il est donc nécessaire d'assurer un asservissement de la fréquence de résonance de la structure de récupération d'énergie vibratoire sur la fréquence de vibration, si possible sur tout le spectre fréquentiel que couvre la source de vibration. L'objectif de la thèse est de proposer des solutions, à basse consommation, permettant d'assurer un ajustement dynamique en temps réel de la fréquence de résonance en fonction de la fréquence de vibration. Les travaux de cette thèse s'articulent autour de trois solutions : 1) Ajustement de la fréquence de résonance par application d'un champ électrique dans un matériau piézoélectrique 2) Ajustement de la fréquence de résonance par adaptation de la charge électrique d'un matériau piézoélectrique 3) Amplification du mouvement vibratoire par technique de rebond Une modélisation et optimisation à la fois de la plage de fréquence de fonctionnement et de la conversion mécano-électrique ont été réalisées. Trois structures ont été développées et testées et permettent de valider chacune des trois approches. Enfin, une électronique très basse consommation a été mise au point pour asservir en temps réel la fréquence de résonance sur la fréquence de la source de vibration et optimiser le taux d'énergie électrique extraite du système (pour maintenir un facteur de qualité de la structure optimum).

Intérêt industriel, pression politique : deux raisons majeures pour lesquelles la synthèse de couches minces piézoélectriques sans Plomb performantes est devenue un sujet de recherche important. L'objectif de ces travaux est la synthèse et la caractérisation d'un matériau prometteur : le BNT. L'élaboration de couches minces de BNT par pulvérisation cathodique rf-magnetron a été optimisée. L'étude montre qu'un recuit à 675°C sous Oxygène permet la meilleure cristallisation du BNT. Les caractérisations électriques ont mis en évidence de bonnes propriétés diélectrique, ferroélectrique et piézoélectrique. Les valeurs de polarisation et de déplacement obtenus en appliquant un champ électrique sont remarquables. Cependant, les valeurs rémanentes sont peu élevées. L'étude en température a permis de déterminer les transitions de phase et de démontrer le caractère relaxeur du BNT. Le mélange de BT avec le BNT dans une solution solide doit améliorer les performances électriques. Des courants de fuite ont provoqué l'effet inverse c'est-à-dire une dégradation des propriétés de nos couches minces.

Cette thèse vise à trouver des approches possibles pour l’amélioration des propriétés électromécaniques de monocristaux piézoélectriques à base de KNN. La TSSG et la SSSG sont entreprises afin de faire croître des monocristaux La conclusion de l'aspect de croissance cristalline est: (1) Pour chaque élément pris individuellement, leurs coefficients de ségrégation reposent fortement sur leurs concentrations initiales dans la solution liquide. (2) La compétition entre éléments occupant le même site du réseau est démontrée. (3) Le très faible coefficient de ségrégation de Li dans la matrice KNN est responsable de l'apparition d'une phase secondaire présentant la structure bronze de tungstène quadratique. (4) Les régions optiquement laiteuses observées dans les monocristaux diminuent la réponse électrique et peuvent être réduites par traitement thermique et refroidissement lent. Dans la deuxième partie, nous avons utilisé trois approches pour améliorer le comportement piézo/ferroélectrique des monocristaux à base de KNN. La Ta ou Sb substitution indique qu'une réponse électromécanique améliorée est obtenue lorsque la transition orthorhombique-quadratique est à proximité de la température ambiante. Le traitement thermique sous atmosphère d'O2 pur a conduit au doublement de la valeur du coefficient piézoélectrique et des paramètres ferroélectriques d'un monocristal de (K,Na,Li) (Ta,Nb,Sb)O3. Son coefficient piézoélectrique à la température ambiante, qui constitue un record mondial à l’heure actuelle vis-à-vis de ce qui est reporté dans la littérature internationale, vaut 732 pC/N. La troisième approche consiste au dopage des monocristaux de (K,Na,Li)(Ta,Nb)O3 avec Mn. / The thesis aims to find possible approaches for improved electromechanical properties in KNN-based piezoelectric single crystals. Both submerged-seed and top-seeded solution growth techniques were employed to produce single crystals. Conclusions from the crystal growth aspect are: (i) For individual elements, segregation coefficients highly rely on the initial concentration in the liquid solution. (ii) A competition between elements occupied on the same lattice site was found. (iii) The very low Li segregation coefficient in the KNN matrix is responsible for the occurrence of a secondary phase with the tetragonal tungsten bronze structure. (iv) Observed optically-cloudy regions in as-grown crystals decrease the electrical response and can be reduced by thermal treatment with slow cooling. In the second part, we used three approaches to enhance the piezoelectric and ferroelectric behavior of KNN-based single crystals. Ta or Sb substitutions indicates that enhanced electromechanical response is achieved when the orthorhombic-tetragonal phase transition is near room temperature. Thermal treatment in pure O2 atmosphere resulted in a twofold increase of the piezoelectric coefficient and ferroelectric parameters of a (K,Na,Li)(Ta,Nb,Sb)O3 single crystal. The highest room-temperature piezoelectric coefficient in annealed KNN-based single crystals of 732 pC/N was obtained. The third approach, doping with Mn ions in (K,Na,Li)(Ta,Nb)O3 single crystals, is also presented.

Les solutions solides appartenant au système quasi-ternaire BaTiO3-CaTiO3-BaZrO3 (BCTZ) sont des candidates prometteuses pour les piézoélectriques sans plomb. Ce travail de thèse expérimental est consacré à la cristallogenèse et à la caractérisation de différents monocristaux dans le système BCTZ : BaZrO3, CaTiO3 ainsi que les solutions solides Ba1-xCaxTi1-yZryO3 présentant des teneurs en zirconium (Zr) et en calcium (Ca) proches de celles de la composition Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-50(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-50BCT) où les performances piézoélectriques sont exacerbées.Les monocristaux de CaTiO3 et de BaZrO3 ont été obtenus à la fois depuis une solution à haute température par la méthode du flux et à partir de leur phase fondue par la technique de la zone flottante optique. Dans le cas de CaTiO3 obtenu dans un four à image à 1975°C, l'aluminium (Al), le magnésium (Mg) et le baryum (Ba) ont été détectés comme étant les principales impuretés. Les spectres Raman de CaTiO3 sont en bon accord avec les spectres référencés dans la littérature. La croissance cristalline de BaZrO3 est beaucoup plus difficile à cause de son point de fusion très élevé (2700°C). Le flux BaB2O4 a été utilisé avec succès pour faire croitre des cristaux d’environ 150-200μm à 1350°C, soit à la moitié de son point de fusion. Des boules de BaZrO3 de taille centimétrique ont également été obtenues à partir de la phase fondue en four à image. Les impuretés majoritaires telles le strontium (Sr), l’hafnium (Hf), le calcium (Ca) et le titane (Ti) ont été détectées par GDMS et SIMS dans une gamme de concertation atomique de 0.3-0.5%. L’énergie de gap optique est d'environ 4,8 eV et souligne la grande qualité des cristaux de BaZrO3 obtenus en four à image. Les propriétés diélectriques à basse température de BaZrO3 confirment l'absence de transition de phase structurelle. Les études de Raman révèlent que même si BaZrO3 n'a pas de transition de phase à basse température, il présente une transition de phase cubique-quadratique sous haute pression à 11GPa à température ambiante.Dans la deuxième partie de cette thèse, des monocristaux centimétriques de BCTZ ont été obtenus avec succès par la croissance en flux. Les profils de concentrations en Ca et Zr le long des boules indiquent que leurs coefficients effectifs de ségrégation dépendent fortement de leur concentration initiale dans la solution liquide. Ceux-ci évoluent considérablement au cours du processus de cristallogenèse, rendant ainsi la croissance de BCTZ très délicate en vue d’obtenir des compositions constantes et proches de celles de la région de convergence de phases. De plus, une décomposition spinodale a été mise en évidence, indiquant la coexistence de deux solutions solides de compositions proches au sein des cristaux de BCTZ. Les propriétés diélectriques et piézoélectriques des cristaux obtenus ont été déterminées et présentent des caractéristiques allant du ferroélectrique classique au relaxeur. Les mesures diélectriques montrent notamment une double boucle d'hystérésis (PE) anormale qui disparaît après polarisation. / Solid solutions belonging to BaZrO3–BaTiO3–CaTiO3 (BCTZ) pseudo-ternary system are promising candidates for lead-free piezoelectrics. This thesis aims at growing and characterizing various single crystals of the BCTZ system: the end members BaZrO3 and CaTiO3 as well as Ba1-xCaxTi1-yZryO3 solid solution compounds with zirconium (Zr) and calcium (Ca) contents close to Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-50(Ba0.7Ca0.3)TiO3 composition (BZT-50BCT) where high piezoelectric performances are expected.CaTiO3 and BaZrO3 single crystals were both grown from high temperature solution by the flux method and from the melt by the optical floating zone technique. In the case of CaTiO3 grown with a mirror furnace at 1975°C, aluminum (Al), magnesium (Mg) and barium (Ba) as main impurities were detected. The Raman spectra of CaTiO3 are in good agreement with the spectra referenced in the literature. The growth of BaZrO3 was more challenging because of its very high melting point (2700°C). BaB2O4 flux was successfully used to produce 150-200 μm-sized BaZrO3 crystals at half its melting point (1350°C) and bulk centimeter-sized BaZrO3 boules were grown from the melt. Sr, Hf, Ca and Ti were detected by GDMS and SIMS as main impurities in the range of 0.3-0.5 at.%. The optical band gap is found to be ~4.8 eV and indicates the high quality of the BaZrO3 crystals grown with mirror furnace. Low temperature dielectric properties of BaZrO3 are displayed and confirmed the absence of structural phase transition. Raman investigations reveal that even though BaZrO3 does not have any phase transition at low temperatures, it exhibits a high-pressure phase transition from cubic to tetragonal at 11GPa at room temperature.In the second part, BCTZ centimeter-sized single crystals have been successfully grown by the top seeded solution growth technique. Ca and Zr content profiles throughout the as-grown boules indicate that their effective segregation coefficients are highly dependent on their initial concentration in the liquid solution. Concentrations evolve substantially during the crystal growth, making the BCTZ crystal growth a tricky issue when a narrow compositions range is targeted, as in the vicinity of the phase convergence region. Furthermore, spinodal decomposition was observed, indicating the coexistence of two solid solutions with close compositions in BCTZ crystals. Dielectric and piezoelectric properties were measured for some crystals, which were found to display a variety of behavior form relaxor to pure ferroelectric. In addition, an abnormal double-like PE hysteresis loop was observed, that was associated to an irreversible effect disappearing upon poling.

L’étude présentée est le fruit d’une collaboration entre le groupe de recherche de l'Electrodynamique du INP-ENSEEIHT (Toulouse), LAPLACE Laboratoire de Recherche et l'École Polytechnique de Gdańsk, le Département Génie Electrique et Automatique. L’objectif de cet projet est la conception d’un moteur piézoélectrique multicellulaire composé de plusieurs stators de moteurs à rotation de mode (3 au minimum) permettant de garantir des fréquences de résonance élevées ainsi qu’une répartition des efforts de frottement plus favorables. Le dimensionnement du moteur s’appuiera sur un cahier des charges du domaine de l’automobile, en visant une structure la plus simple possible à mettre en oeuvre. Outre un travail important concernant la conception, il faudra procéder à sa caractérisation après la réalisation du prototype. La dernière étape concernera la définition des stratégies d’alimentation et de commande d’une telle structure qui posera inévitablement le problème de l’autoadaptativité des cellules résonantes à une même fréquence de résonance. Le moteur multicellular (MPM) proposé sera une combinaison du moteur à onde progressive annulaire (Shinsei) et moteur à rotation de mode. Il combine les avantages des deux moteurs par une combinaison de trois cellules élémentaires de moteurs à rotation de mode. La combinaison de ces deux concepts, accroît le nombre de surface de contact. Les dimensions préliminaires et les paramètres de la MPM prototype ont été vérifiés en utilisant son modèle développé analytique (géométrique) et méthodes numériques (MÉF). Le modèle analytique de la MPM a été développé sur la base de circuit équivalent de la Langevin actuateur. La model analytique a été fait dans Matlab. Les principaux paramètres calculés sont: fréquence de résonance 26.2 kHz, couple bloque 0.4 Nm et la vitesse 40 tr/mn. En utilisant le modèle MÉF les fréquences de résonance et les valeurs du stress de la MPM prototype ont été déterminés. . Des simulations ont été effectuées pour sélectionner la fréquence de résonance et la forme pour concevoir le contre mass. Les fréquences de résonances résultantes sont 25.6 kHz et simulations du stress moins de 9 N/mm2. Comparaison des résultats fréquence de résonance calcule à modèle analytique (26.2 kHz) et le modèle FEM (25.6 kHz) du une prototype MPM, il convient de noter, que de modèle analytique est fortement modèle précis. Enfin, la réalisation des pièces par imprimante 3D a été décidée (contre-mass et carter) et les matériaux: aluminium et nylatron. Les autres parties ont été réalisés sur une machine à commande numérique à l'aide de l'acier. Les mesures de la MPM prototype ont été effectuées. L'étape suivante a consisté à tester le moteur et vérifier la fréquence de résonance, et la mesure de déplacement, résonances fréquences résultantes sont 22 kHz et déplacement 1.1 μm sur rotor/stator point du contact. Finalement, les paramètres mécaniques ont été mesurés. Les meilleurs paramètres mécaniques ont été obtenus sur dSpace support de laboratoire: vitesse - 46-48 tr/mn, et le couple bloqué – 0.4 Nm. Les résultats sont satisfaisants et donnent un bon point de départ pour les futurs travaux. / The research works in the frame of the dissertation have been carried out with the cooperation between the University INP - ENSEEIHT - LAPLACE (Laboratory on Plasma and Conversion of Energy), Toulouse, France, and the Gdańsk University of Technology, Faculty of Electrical and Control Engineering, Research Unit Power Electronics and Electrical Machines, Gdańsk, Poland. The main scope of the dissertation was following: development a novel concept, implementation and analysis of the multicell piezoelectric motor (MPM) for the control of the car seat position. The new concept of the MPM is based on a combined topology using the working principles of the traveling wave motor/actuator (known as the Shinsei motor), and the electromechanical structure of the rotating-mode motor/actuator. The electromechanical structure of each rotating-mode motor has been considered as an independent one – referred to as a "single cell". The application of the novel MPM for the control of the car seat position will reduce the number of gears due to its direct coupling with the driving/movement shaft of the seat positioning system. The achieved effects of a such integrated structure will be following: a higher efficiency, a lower noise of performance, a low cost of manufacturing, and in general a lower pollution of the environment. The preliminary dimensions and parameters of the prototype MPM have been verified using its developed analytical (geometrical) model and numerical methods (FEM). The prototype MPM has been manufactured. Finally, the laboratory measurements of the MPM prototype has been carried out.

Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés principalement à la récupération de l'énergie mécanique et plus particulièrement l'énergie vibratoire. Cette technologie repose sur l'utilisation des transducteurs résonants, ces dispositifs permettent d'amplifier l'amplitude de vibration et donc de stocker d'avantage d'énergie mécanique dans le convertisseur à la résonance. La quantité de l'énergie en sortie du convertisseur chute lorsque la fréquence de vibration n'est plus égale à la fréquence de résonance, il est donc nécessaire d'assurer un asservissement de la fréquence de résonance de la structure de récupération d'énergie vibratoire sur la fréquence de vibration, si possible sur tout le spectre fréquentiel que couvre la source de vibration. L'objectif de la thèse est de proposer des solutions, à basse consommation, permettant d'assurer un ajustement dynamique en temps réel de la fréquence de résonance en fonction de la fréquence de vibration. Les travaux de cette thèse s'articulent autour de trois solutions : 1) Ajustement de la fréquence de résonance par application d'un champ électrique dans un matériau piézoélectrique 2) Ajustement de la fréquence de résonance par adaptation de la charge électrique d'un matériau piézoélectrique 3) Amplification du mouvement vibratoire par technique de rebond Une modélisation et optimisation à la fois de la plage de fréquence de fonctionnement et de la conversion mécano-électrique ont été réalisées. Trois structures ont été développées et testées et permettent de valider chacune des trois approches. Enfin, une électronique très basse consommation a été mise au point pour asservir en temps réel la fréquence de résonance sur la fréquence de la source de vibration et optimiser le taux d'énergie électrique extraite du système (pour maintenir un facteur de qualité de la structure optimum). / The work of this thesis is focused on the mechanical energy harvesting. This technology is generally based on the use of resonant transducers. Such systems work efficiently when their resonant frequency is equal to the vibration one. Otherwise, the output power from the harvester drops dramatically. Hence, it's necessary to ensure a continuous control of the resonant frequency of the harvester in order to avoid a possible shift between the resonant frequency and the vibration one, and doing this over the frequency spectrum covered by the vibration source. The main goal of this thesis is to develop new efficient solutions able to control in real time and tune the resonant frequency, these solutions should be low power consumption. During this thesis, three solutions have been developed: 1) adjustement of the resonant frequency by applying an electric field on the piezoelectric material; 2) adjustement of the resonant by adapting the electrical load; 3) the amplification of the structure relative displacement using a rebound technique. Modelling and optimization of both the frequency adjustment techniques and the mechanical-to-electrical conversion were performed. Three structures have been developed, tested and used to validate the three approaches. Finally, a very low power consumption electronic has been developed for a real time control of the resonant frequency, by regarding the vibration frequency, and also to optimize the extracted electrical energy from the harvester by maintaining an optimum quality factor.

L'objectif de cette thèse est l'élaboration de couche mince piézoélectrique sans plomb pour des applications mécatroniques. Le matériau piézoélectrique sélectionné est la langasite, La3Ga5SiO14, qui conserve ses propriétés à haute température (Tfus = 1470°C). L'élaboration par chimie douce permet une mise œuvre simple et économique. De nombreuses synthèses ont été réalisées variant précurseurs, ligands et solvants Des analyses thermogravimétriques et thermiques différentielles complétées par des caractérisations par spectroscopie infrarouge ont permis de comprendre les étapes de décompositions des précurseurs pour les différentes synthèses. Ainsi les précurseurs chlorures ne permettent pas la formation de langasite pure puisque restant dans la sphère de coordination du lanthane jusqu'à haute température. Nous avons retenu une synthèse à base de précurseurs nitrates permettant la formation d'une solution stable, nécessaire pour la réalisation de dépôts et conduisant à la formation de la langasite pure. Pour être piézoélectrique une couche mince doit être texturée dans une direction correspondant à une direction piézoélectrique du matériau. L'objectif de la thèse était au départ de déposer la langasite sur un substrat souple bitexturé de Ni95W5/LZO. Tous les essais de dépôts ont conduit à l'oxydation de ce substrat, même sous atmosphère inerte, d'autres substrats ont donc été étudiés. Les films obtenus ont essentiellement été caractérisés par diffraction des rayons X en mode tetha/2tetha, phi scan et figures de pôles. Des études par microscopie électronique à transmission ont également été menées. La morphologie des dépôts a été caractérisée par AFM. Les essais sur MgO (111) ou Si (100) ont conduit à la formation d'une couche mince de langasite polycristalline. Le dépôt de langasite sur MgO (100) possède une orientation préférentielle des plans (110) et (101). Des dispositifs SAW réalisés sur plusieurs couches n'ont pas permis de mettre en évidence des propriétés piézoélectriques. La dégradation de la langasite dans les films a ensuite été mise en évidence et peut expliquer ces résultats. Les dépôts de langasite sur spinelle MgAl2O4, présentent une texture fibrée des plans (002). Les perspectives de ces travaux concernent la mesure des coefficients piézoélectriques des dépôts sur spinelle ainsi que des essais de dépôt d'une couche métallique sur la surface des films afin de les protéger et éviter ainsi leur dégradation. / The objective of this PHD is the development of piezoelectric thin layers without lead element. The selected piezoelectric material is the langasite, La3Ga5SiO14, which keeps its piezoelectric properties at very high temperature (Tm = 1470°C). The chosen langasite synthesis is a soft chemistry way which is economical and easy to work. We have made many tests with different metal precursors, different solvents and ligands. Infrared spectroscopy, X-ray diffraction, differential thermal analysis and thermogravimetric analysis were done to study the decompositions steps. Thus, the synthesis with chlorides precursors lead to impure langasite due to chloride atoms which stay in the coordination sphere of lanthanum at high temperature. We selected a based nitrate synthesis which allows the formation of stable solution leading to pure langasite. To be piezoelectric, a thin layer must be a textured layer, and the orientation of the texture must be a piezoelectric direction. To depose langasite on flexible bitextured substrate of Ni95W5 / LZO was the first aim of this PHD. All tests led to the oxidation of this substrate. Further to these results other substrates were studied. The films were analyzed by X ray diffraction in (theta/2theta), phi scan and pole figures. The morphology of the layers was studied by AFM. Tests on MgO (111) or Si (100) led to the formation of polycrystalline langasite thin Layer. Deposition of langasite on MgO (100) led to two preferred orientation (110) and (101) . SAW electrodes were deposited on these layers but any piezoelectric properties were measured. Further degradation of films has been shown. Depositions on spinel MgAl2O4 , present a fibrous texture of the (002) planes . The prospects of this work concern the piezoelectric coefficients measurement of spinel deposit. Depositions tests of a metallic layer to protect the films langasite from degradation have to be made.

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.

Ce travail de thèse porte sur l’optimisation des propriétés de nanotubes de carbone pour la détection de gaz.Pour cette application, les nanotubes de carbone ont été déposés sur deux types de transducteur sérigraphiés, résistif et résonant. Les nanotubes de carbone à multi-parois traités par plasma d’oxygène (O-MWCNTs) ont été le point de départ de ces travaux. Les performances de ces nanomatériaux déposés par air-brushing sur le transducteur de type résistif comportant deux électrodes de platine interdigitées préalablement déposées sur un substrat d’alumine ont été étudiées en présence de composés organiques volatils (COVs). Par comparaison aux réponses obtenues sous éthanol et acétone,une meilleure sensibilité et un meilleur temps de recouvrement ont été observés en présence de benzène et de toluène. Les nanotubes de carbone O-MWCNTs ont été ensuite déposés sur une micropoutre piézoélectrique sérigraphiée. Cette dernière, à base de PZT placé entre 2 électrodes, permet simultanément l’actionnement et la mesure de sa fréquence de résonance. De plus, le remplacement de l’électrode supérieure de géométrie rectangulaire par deux électrodes interdigitées a permis la mesure simultanée de la résistance des nanotubes de carbone et de la fréquence de résonance. Grâce à cette nouvelle génération de transducteur, la variation de résistance de la couche de nanotubes de carbone et la variation de masse ont pu être mesurés en présence de COVs mais aussi de monoxyde de carbone et de dioxyde d’azote. Sous forte concentration de vapeurs/gaz, la prise de masse de la couche sensible entraîne des variations de fréquence négatives. En revanche, à plus faible concentration, des variations de fréquence positives ont été observées. Ce phénomène est attribué à une modification de la rigidité de la poutre résonante suite à l’adsorption sur la poutre de l’espèce à détecter enfaible quantité. La mesure simultanée de la résistance des OMWCNTs de type-p a de plus permis la discrimination du caractère oxydant ou réducteur des gaz/vapeurs. Finalement,face à la difficulté de détecter le benzène à faible concentration, une approche basée sur la reconnaissance moléculaire « host-guest » a été proposée. Afin de promouvoir des interactions spécifiques avec le benzène, les MWCNTs ont été fonctionnalisés avec une molécule de type quinoxaléine en conformation de cavité. Ainsi, la mesure de la résistance de ce nanomatériau hybride a permis la détection de 2,5 ppb de benzène sous air sec avec une limite de détection (LOD) proche de 600 ppt. Ces résultats remarquables démontrent les potentialités des nanotubes de carbone fonctionnalisés pour la détection de faibles traces de composés aromatiques. / Multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) base sensitive layers have been deposited onto different transducer substrates for gas sensing application. Oxygen plasma treated MWCNTs, so-called O-MWCNTs, have been a building blockfor developing other gas sensitive nanomaterials. At first, OMWCNTs have been studied as resistive gas sensors. Volatile organic compounds (VOCs) such as benzene, toluene, ethanol, methanol and acetone have been used to characterize this sensitive layer. The sensors show good sensitivity and excellent baseline recovery in the presence of benzene or toluene vapors compared to the others tested VOCs. OMWCNTs have been studied as adsorbent nanomaterials deposited on PZT piezoelectric resonant cantilevers fabricated by multilayer screen-printing. In the second step, a modification of the rectangular top electrode to become an interdigitated electrode was implemented in order to have a sensor transducer employing two transduction mechanisms. This configuration allowed us to measure, for a single device, the resistance change of the carbon nanotube film and the resonance frequency shift of the PZT cantilever up on exposure to VOCs. The sensing properties of such systems have been studied for benzene, CO, and NO2 contaminants. Positive and negative shifts of the resonance frequency are observed at lowand high gas concentrations, respectively. These are attributed to stress or to mass effects becoming dominant at low or high gas concentration levels. Monitoring the resistance of the p type O-MWCNT film helps discriminating gases/ vapours according to their oxidizing or reducing character. The interest of the double transduction has been demonstrated in the detection of CO. Finally, in front of the difficulty to detect benzene at low concentrations, a different approach based on the host-guest molecular recognition is proposed. To promote specific interaction toward benzene, quinoxaline-walled thioether-legged deep cavit and functionalized MWCNTs are used. The detection of 2.5 ppb of benzene in dry air is demonstrated with a limit of detection (LOD) near 600 ppt.These remarkable results show the potentiality of functionalized carbon nanotubes in aromatic vapor sensing at traces level.

Ce travail de thèse porte sur le contrôle de santé intégré par émission acoustique desmatériaux composites stratifiés et sandwichs. Le capteur d’EA est d’une part implanté dans lamasse du matériau et d’autre part collé à la surface de ce dernier. Une première étude estconsacrée à l’étude de l’influence de l’implant piézoélectrique dans le volume du matériau surle comportement et les caractéristiques mécaniques en statiques, en fatigue cyclique et enfluage sous sollicitations en traction et en flexion. Les signaux d’émission acoustique sontcollectés au cours des essais sur les différents matériaux. Les mécanismes d’endommagementde chaque matériau sont identifiés et caractérisés en utilisant une analyse multiparamétrique(k-moyennes) des signaux collectés. La dynamique de chaque mécanisme est suivie jusqu’à larupture permettant de discriminer les mécanismes les plus critiques conduisant à la rupture dumatériau. Une étude comparative des signaux d’EA entre matériau instrumenté en surface etcelui instrumenté en volume avec insertion d’élément piézoélectrique est également menée.Elle a montré que les matériaux avec capteurs intégrés sont plus sensibles à l’émissionacoustique, améliorant ainsi l’identification des mécanismes d’endommagement et le contrôlede santé intégré des matériaux composites étudiés. Enfin, la dernière partie du travail a étéconsacrée à l’étude de l’influence de l’intégration de plusieurs capteurs dans des structures encomposites stratifiés et sandwichs. L’analyse des résultats expérimentaux et l’observation dessignaux d’EA obtenus dans ces structures soumises à différentes sollicitations ont permis dedéfinir les principaux signatures acoustiques des différents modes d’endommagementprépondérants dans chaque type de structure. La localisation des sources d’endommagement amis en évidence que les événements acoustiques sont apparus loin des positions des capteursintégrés. De point de vue comparaison entre matériau instrumenté et matériau noninstrumenté, l’activité acoustique montre clairement l’avantage de l’intégration del’instrumentation au sein du composite. Cet avantage réside dans le fait de la détectionexpérimentale des modes d’endommagement précoces et leur chronologie d’apparition,faisant ainsi révéler les performances du composite instrumenté vis-à-vis à sa réponse enversl’initiation, la propagation et l’accumulation des défauts microscopiques. / The increasing demands to improve the performance of aerospace and other engineering Systems require a new class of structures, such as smart structures. These can be defined as the system that has built-in capability or with intrinsic sensors that perceive and process the operating environments, and take effective action to fulfil the intended mission. The future of smart structure technology is very promising. There has been considerable interest in the use of piezoelectric materials in conjunction with the light-weight and high-strength/modulus polymeric composites as one type of smart structures. This work presents a health monitoring study of composites incorporating an integrated piezoelectric sensor. Firstly, experimental research is focused on examining the effects of the embedded sensors on the structural integrity of composites subjected to tensile and 3-point bending loads. A series of specimen composites (laminated composites and sandwich) with and without embedded piezoelectric sensors were fabricated. The composite specimens with PZT sensors embedded in the mid-plane were tested in static, fatigue and creep loading while continuously monitoring the response by the acoustic emission technique. The acoustic signals were analysed using the classification k-means methoc in order to identify the different damage and to follow the evolution of these various mechanisms for both types of materials (with and without sensor).