Mes travaux de recherche portent sur la modulation du frottement par des vibrations ultrasoniques générées au sein d'un contact solide en frottement sec. Une approche analytique basée sur les conditions de fretting entre solides élastiques associées à une sollicitation dynamique normale a permis de dégager les conditions de lubrification électroactive. Les fortes pressions de contact et les fréquences d'excitation élevées requises, nous orientent alors naturellement vers l'emploi d'actionneurs piézoélectriques. Sur le plan expérimental, une approche fondamentale sur tribomètre a été d'abord menée pour valider notre approche théorique. Si les applications potentielles de la lubrification électroactive sont nombreuses (actionneurs haptiques kinesthésiques, embrayage piézo électrique,. . . ), ces travaux ont été appliqués à la réduction des pertes par frottement dans un moteur à combustion interne sous l'impulsion du motoriste de Formule 1 ASIATECH.

Le contexte de cette thèse est la récupération d'énergie afin de rendre des capteurs autonomes. L'objectif de ce travail est de répondre à la problématique du couplage des microgénérateurs piézoélectriques résonants à la source de vibration mécanique. Cela nécessite de travailler à plus basse fréquence et sur des gammes de fréquences plus importantes. Pour travailler à plus basses fréquences, des poutres encastrées libres utilisant l'AlN comme matériau piézoélectrique ont été conçues, fabriquées et caractérisées. La possibilité de récupérer 0.6µW à 214Hz pour un volume de moins de 3mm3 a été prouvée. Comparées à la littérature, de très bonnes figures de mérite ont été démontrées. Pour travailler sur des gammes de fréquences plus importantes, une méthode innovante de raidissement non linéaire de la structure a été proposée et prouvée expérimentalement, avec une adaptation de la fréquence de résonance de plus de 50% en dessous de 500Hz.

L'objet de cette thèse est d'étudier différents dispositifs d'amortissement de vibrations en basses fréquences des aubes de rotor de soufflante ("fan") d'un turboréacteur. Les solutions étudiées utilisent des pastilles piézoélectriques, liées à l'aube et connectées à un circuit électrique passif ou semi-passif. Dans la première partie, il s'agit de mettre en pratique le modèle électromécanique développé dans la thèse de Julien Ducarne, puis de l'étendre au cas tridimensionnel par l'utilisation de la méthode des éléments finis. Ce modèle de comportement prend en compte le couplage entre une structure mécanique quelconque et des pastilles piézoélectriques planes ou courbes. Par la suite, un modèle réduit à faible nombre de degrés de liberté est construit, ce qui permet après résolution de prédire l'efficacité des dispositifs amortissants. Deux techniques, nommées "shunt" et "switch" sont appliquées au cas d'une aube fan. La première consiste à utiliser un circuit électrique résistif ou résonant. La seconde, encore à l'état de recherche, comporte un circuit muni d'un interrupteur synchronisé aux oscillations de la structure, ce qui produit un amortissement analogue à celui d'un frottement sec. La modélisation et l'optimisation électrique de ces circuits, issus de différents travaux antérieurs, ne font l'objet que d'un rappel dans ce mémoire. Une procédure d'optimisation est développée pour pouvoir trouver les géométries et les emplacements des pastilles qui maximisent le couplage électromécanique. Deux algorithmes différents (recuit simulé et recherche avec liste taboue) sont utilisés et mis en interaction avec les outils de calcul éléments finis pour trouver des solutions optimisées. Afin de valider sur un cas industriel l'ensemble des travaux sur les dispositifs piézoélectriques, une campagne d'essai est menée sur une aube fan de CFM56-7b. Les niveaux d'atténuation mesurés et ceux prévus par le modèle sont ensuite comparés. La seconde partie est consacrée à l'évaluation de l'effet des nonlinéarités géométriques sur la dynamique d'une structure tournante. Initialement prévue pour être intégrée à la partie shunt piézoélectrique, ceci afin de pouvoir estimer l'efficacité de ce dernier lorsque la structure tourne et vibre en grande amplitude, l'étude n'a pas été poursuivie et constitue une partie sans lien avec les techniques de réduction de vibrations. Néanmoins, les résultats obtenus en 1D, ainsi que la méthode de prise en compte des nonlinéarités dans le cas 3D viennent compléter et enrichir les différentes études actuelles menées sur le sujet, raison pour laquelle ce chapitre a été ajouté à ce mémoire. La détermination des caractéristiques dynamiques modales et leurs évolutions en fonction de certains paramètres de fonctionnement de l'aube constituent l'objet de cette partie. Plusieurs modèles sont développés et comparés pour pouvoir juger de la présence et de l'importance des divers phénomènes non linéaires dans la réponse forcée d'une poutre en rotation.

Le sujet de ce travail de thèse s'inscrit dans la récupération d'énergie thermique à l'échelle microscopique pour proposer une alternative aux matériaux thermoélectriques. L'objectif est de concevoir, fabriquer et caractériser un récupérateur microscopique pour tirer profit de l'augmentation des échanges thermiques et des fréquences d'oscillations avec la réduction d'échelle. Il est basé sur une double transduction, thermo-mécanique grâce au flambage d'une poutre bi-couche initialement courbe, et piézoélectrique.Des structures rectangulaires de différents tailles à base d'AlN et d'Al ont été fabriquées et caractérisées. La courbure transverse des plaques rectangulaires étant trop importante, des structures optimisées en forme de papillons ont par ailleurs été fabriquées et caractérisées. / This PhD thesis focuses on the thermal energy harvesting at microscale to propose an alternative to thermoelectric materials. The aim is to conceive, fabricate and characterize a microscopic harvester to take profit of the increase of thermal exchanges and oscillation frequencies with the downscaling. It is based on a double-step transduction: thermo-mecanical one thanks to the thermal buckling of a bilayer plate initially curved, and piezoelectric.Rectangular structures of different sizes composed of AlN and Al have been fabricated and characterized. The transverse curvature of the rectangular plate being to high, optimized structures having a butterfly shape have also been fabricated and characterized.

Les couches minces de LiNbO3 (LN) avec des orientations du single cristallographique en dehors-du-plan et dans-le-plan sont nécessaires pour les dispositifs optiques et acoustiques. La technique PIMOCVD est adapté pour la déposition de couches minces de LN avec des orientations cristallographiques différentes sur des substrats monocristallins. Pour obtenir des couches avec une surface lisse et composé une phase pure de LN avec une concentration contrôlé de Li, les paramètres de déposition ont été ajustés.Un effort particulier a été mis dans la croissance de couches avec une orientation unique dans-le-plan. La qualité cristalline, la qualité de l’épitaxie, Li2O nonstoichiometrique, l’orientation dans-le-plan, le stress résiduel et le twinning ont été étudiés avec la diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman. Couches de LN avec composition presque stoichiometrique on été obtenues. Les couches épaisses ont tendance à se fracturer et à former twins pour détendre les grands stress thermique. Les différences dans les mécanismes de relaxation et dans la capacité de supporter des stress dans les couches de X-, Y- et Z-LN sont discutés. Dans le cas des couches Z-LN le stress thermique sont equi-biaxial quand le stress dans les couches X- et Y- sont anisotropies. On a étudié aussi la structure des domaines ferroélectriques et la réponse piézoélectrique des couches. L’énergie de bande et l’indice de réfraction des couches de LN, mesuré pas elipsometrie spectrale, sont très proche de ceux du LN monocristallin. On démontre expérimentalement la présence d’une résonance à 5.5 GHz dans un résonateur à un seul port réalisé dans une couche de Z-LN/saphir de 150 nm d’épaisseur. / LiNbO3 (LN) thin films are attracting interest due to possibility to miniaturize, to integrate and to ameliorate the performance of acoustical and optical devices. These applications require LN films with single crystallographic out-of-plane and in-plane orientations. PIMOCVD technique was used for deposition of high quality of different crystallographic orientations LN thin films, offering a possibility to obtain films with various different cut on single crystalline substrates.In order to obtain films with smooth surface and consisting of pure LN phase with controlled Li concentration, the deposition parameters were tuned.A particular effort was done to obtain films with single in-plane orientation. The crystallinity, epitaxial quality, Li2O nonstoichiometry, in-plane orientation, residual stresses and twinning were studied by means of X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The LN films with nearly stoichiometric composition were obtained. The thick films tend to crack and to form the twins in order to relax the high thermal stresses. The differences in relaxation mechanisms and in ability to withstand high stresses of X-, Y- and Z-LN films were discussed. In the case of Z-LN films the thermal stresses are equibiaxial, while the stresses in X- and Y- films are anisotropic. The ferroelectric domain structure and piezoelectric response of grown films were investigated. Energy gap and refractive indexes of LN films, measured by spectroscopic ellipsometry, were similar to those of single crystal. Acoustic resonance at 5.5 GHz in single-port resonators based on as-grown 150 nm thick Z-LN film on sapphire films was demonstrated experimentally.

Cette thèse CIFRE (Conventions Industrielles de Formation par la REcherche), en collaboration avec Safran Aircraft Engines, concerne la réduction des vibrations de flexion en basse fréquence d'une aube de rotor de soufflante en matériau composite. L'intérêt premier est de réduire les marges au flottement en augmentant l'amortissement des aubages pour permettre l'utilisation des moteurs dans des plages de fonctionnement à haut rendement actuellement inexploitées. Les autres avantages directement liés à la réduction de vibration sont l'augmentation de la durée de vie des pièces ainsi que la réduction du bruit du moteur. L'objet de cette étude, est d'étudier différents dispositifs d'amortissement de vibrations piézoélectriques, en basses fréquences, applicables à une aube de turbomachine fabriquée en matériaux composites. Les applications principalement visées sont des aubes de rotor de soufflante ou des pales de rotor non caréné ("open-rotor"), de géométrie élancée et complexe. Les solutions étudiées utilisent des éléments piézoélectriques couplés à un circuit électrique passif ou semi-passif. Le coeur de ce travail de thèse, encore un verrou scientifique à l'heure actuelle, est de proposer des solutions performantes qui intègrent les éléments piézoélectriques aux aubes de soufflante afin de respecter les contraintes aérodynamiques imposées pour ce type de structure, tout en augmentant l'amortissement sur un des premiers modes de vibration. Les performances de ce genre de dispositifs sont directement liées à une grandeur : le facteur de couplage électromécanique, qu'il s'agit de maximiser. Il dépend de toutes les caractéristiques de la structure : les matériaux utilisés (structure composite hôte, matériau piézoélectrique), mais surtout du placement et de la géométrie des éléments piézoélectriques. L'utilisation de matériaux piézoélectriques connectés à des circuits actifs, semi-passifs ou passifs a été largement étudiée mais les expériences traitent presque toujours de cas académiques de poutres ou de plaques. L'objectif est ici, pour le dispositif piézoélectrique développé, de pouvoir évaluer les performances des shunts en terme d'atténuation sur une structure massive faiblement amortie. Une partie du travail consiste ainsi à bâtir un modèle éléments finis prédictif de la structure composite couplée aux matériaux piézoélectriques, en vue de quantifier les performances du dispositif. Plusieurs solutions sont testées sur une structure simple pour évaluer l'influence sur les performances du dispositif, (1) du choix du matériau piézoélectrique, (2) du placement et de la géométrie des éléments piézoélectriques ainsi que (3) du circuit électrique dissipatif. Différentes solutions d'intégration à l'aube sont proposées et une méthode de caractérisation des propriétés des matériaux tissés est développée dans la perspective d'intégrer les matériaux actifs à la préforme du composite. Cette étude est à la fois numérique et expérimentale : un démonstrateur, utilisant une aube en matériaux composites est conçu puis testé en laboratoire pour valider les concepts proposés. / This thesis concerns the vibration reduction in the low frequency range of a composite fan blade of a turbojet engine with piezoelectric devices. The interest is to increase lifespan and avoid flutter phenomena by reducing the vibration amplitude. The purpose of this thesis is to study several shunted piezoelectric devices, in the low frequency range, that can be applied to a woven composite turbojet fan blade. The targeted applications are the LEAP fan blades or the “open-rotor” fan blade, both of them required to manage a complex geometry. The solutions investigated used piezoelectric elements coupled to a passive or semi-passive circuit. The core of this thesis, still a scientific obstacle at present, is to propose efficient solutions that integrate the piezoelectric elements to the fan blades in order to meet aerodynamic constraints for this type of structure, while increasing damping level on one of the first modes of vibration. The performances of such devices are directly related to a coefficient: the electromechanical coupling factor that requires to be maximized. This coefficient depends on all the features of the structure: materials used (host composite structure, piezoelectric material), but especially the placement and geometry of the piezoelectric elements. The use of piezoelectric material connected to active, semi-passive or passive circuits has been extensively studied but the experiences almost always deal with academic cases such as beams or plates. The aim is for the developed piezoelectric device, to evaluate the damping performance of a weakly damped massive structure.A part of the work is thus to develop a predictive finite element model of the structure coupled to the piezoelectric material to quantify the performance of the device. Several solutions are tested on a simple structure to evaluate the influence on the device performance of, (1) the choice of the piezoelectric material, (2) the placement and geometry of the piezoelectric elements, and (3) of the dissipative circuit. Various integration solutions in the blade are proposed and a method for characterizing the properties of woven materials is developed in the perspective of integrating the active materials in the composite preform.This study is both numerical and experimental: a demonstrator using a composite fan blade is designed and tested in the laboratory to validate the proposed concepts.

Ce travail est né de l'idée d'associer l'ingénierie des matériaux sous forme de couches minces, domaine qui motive depuis de nombreuses années les chercheurs du LMGP, à des substrats piézoélectriques à fort coefficients de déformation. Les matériaux piézoélectriques peuvent convertir une énergie électrique en une énergie mécanique (de déformation) et vice-versa. Il est alors aisé d'imaginer qu'une couche mince synthétisée à la surface d'un substrat piézoélectrique profitera de la déformation de ce dernier quand il est soumit à un champ électrique. Le substrat mis en jeu est le PMN-PT, composé qui présente de forts coefficients de déformation. Dans cette étude le film synthétisé et mis en œuvre est le LaNiO3. Il cristallise dans une structure pérovskite ABO3. Cette structure présente l'avantage de permettre une grande variété de distorsions structurales et peut accueillir un grand nombre d'éléments chimiques. / This work was born from the idea of ​​combining materials in thin films form, an area that motivates many years researchers LMGP, to substrates with high piezoelectric coefficients of deformation. Piezoelectric materials can convert electrical energy into mechanical energy (strain) and vice versa. So we can imagine that a thin film synthesized on the surface of a piezoelectric substrate will benefit from the substrate deformation when subjected to an electric field. The substrate involved is the PMN-PT, a compound that shows high piezoelectric coefficient. In this study the film synthesized is the LaNiO3. It crystallizes in a perovskite structure ABO3. This structure has the advantage of a wide variety of structural distortions and can accommodate a large number of chemical elements.

Ce travail de thèse se focalise sur l’étude de piézogénérateur à base de nanofils de GaN.L’objectif principal est de développer des nouveaux dispositifs pour la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique pour la récupération d’énergie et la détection de déformations transitoires. Le région active des dispositifs développés consiste en des nanofils ou microfils de GaN encapsulé dans une couche polymère. Les nanofils sont synthétisés par épitaxie par jet moléculaire (EJM) tandis que les microfils sont synthétisés par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM).Trois architectures de dispositifs sont explorées: basées sur une matrice rigide, une matrice flexible, et sur un dispositif entièrement flexible. Deux dispositifs d’excitation mécanique,développés et mis en place pour les besoins de la thèse, sont utilisés pour caractériser les dispositifs piézogénérateurs. En particulier, un mode d’excitation cyclique discontinue (tapping) et un mode d’excitation cyclique continue sont utilisés pour explorer les performances électriques des piezogénérateurs dans une large bande de fréquence (de 1 Hz à 3 kHz). Basé sur ces observations expérimentales, une synthèse complète du comportement des transitoires de tension aux bornes des piézogénérateurs lorsqu’ils sont soumis à différentes déformations est faite. Un désign basé sur une diode Schottky aux sommets des nanofils et différents designs capacitifs sont comparés et leurs circuits électriques équivalents sont proposés. Les mécanismes de fonctionnement des piézogénérateurs ont été validés par des observations expérimentales.Enfin, un processus pour fabriquer des piézogénérateurs et des capteurs entièrement flexibles a été développé et ces derniers ont été caractérisés. En particulier, la fabrication d’un dispositif flexiblecomposé d’une matrice de pixel actif a été démontrée.Pour le piézogénérateur rigide à base de nanofils synthétisés par EJM, la plus haute densité de puissance moyenne mesurée atteint 22.1 mW/cm3. Pour les piézogénérateurs flexibles à base de microfils synthétisés par EPVOM, la plus haute densité de puissance moyenne mesurée atteint 16.5μW/cm3. Le dispositif flexible montre une bonne sensibilité aux vibrations de faible amplitude et répond de façon stable à un tapotement avec le doigt. Une énergie moyenne d’environ 100 pJ peut être délivrée par ce dernier lorsqu’il est soumis à une déformation cyclique par le tapotement d’un doigt. / This PhD work focuses on the study of GaN nanowire-based piezogenerating devices.The main objective is to develop novel devices for mechanical-to-electrical energy conversion for energy harvesting and for detection of transient deformations. The active material of the developed devices consists of a polymer-embedded nanowire membranes containing either molecular beam epitaxy (MBE) grown GaN nanowires or metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) grown GaN microwires.Three device architectures are explored, namely a piezogenerator with a rigid matrix, with a flexible matrix and a fully flexible device. Two home-made mechanical excitation set-ups are used to characterize the generators. In particular, tapping mode and continuous compression deformations are applied to explore the devices’ electrical performance in a large frequency range (from 1 Hz to 3 kHz). Based on these extensive experimental investigations, a panoramic summary of the generator transient behavior under various deformation conditions are made. A Schottky diode design and different versions of capacitive design for the piezogeneration are compared, and their equivalent electrical circuits are proposed. The piezogenerators’ working mechanisms are further validated by experimental investigations.Finally, a process to fabricate fully flexible generators and sensors is developed and these flexible devices are extensively characterized. In particular, a flexible device composed of a matrix ofactive pixels is demonstrated.For the MBE nanowire-based piezogenerators on a rigid substrate, the best recorded average power output density reaches 22.1 mW/cm3. For the MOCVD microwire based flexible generators, the best recorded average power output density attains 16.5 μW/cm3. The flexible devices show a good sensitivity to ambient vibrations and respond stably to finger tapping deformations. An average energy of about 100 pJ can be delivered by the flexible device under one finger tapping gesture.

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Des films cellulaires pour usage piézoélectrique ont été développés par étirage bi-axial suivi d’un gonflement contrôlé à partir de films composites en polypropylène (PP) chargés de particules minérales: carbonate de calcium (CaCO3) et talc. Afin d’atteindre des propriétés piézoélectriques convenables, la morphologie cellulaire des films a été basée sur une revue de littérature pour l’épaisseur (b) des cellules, leur aspect (a/b) défini par le rapport entre leur longueur (a) et leur épaisseur (b), ainsi que l’épaisseur (t) de leurs parois. De façon à évaluer l’impact de la taille des particules, de leur concentration, de leur forme et de la température d’étirement sur la morphologie cellulaire de films, des échantillons ont été produits en extrudant des feuilles de 0,9 mm de PP/CaCO3 (12 μm, sphérique), PP/CaCO3 (6 μm, sphérique), PP/CaCO3 (3 μm, sphérique) et PP/talc (10 μm, plat). Ces feuilles ont été ensuite étirées bi-axialement à des températures de 152, 155, 158 et 160°C à un taux d’étirement de 2,4 m/min. Suite à l’étirement bi-axial, des épaisseurs de films variant entre 40 et 120 μm ont été obtenues. Les films ont ensuite subi un traitement d’expansion (diffusion d’azote à 130°C) afin de gonfler les cellules. L’analyse d’images obtenues par microscopie électronique à balayage (MEB) a servi à quantifier la morphologie cellulaire. Les résultats obtenus ont montré que les films de PP/CaCO3 (3 μm) n’ont pas donné de cellule, alors que ceux de PP/CaCO3 (12 μm) étirés à 152°C ont donné les meilleures morphologies cellulaires à des concentrations massiques de 35%. Ces «meilleures» morphologies correspondent à t = 3,6 μm, a/b = 5,6 et b = 13,6 μm. La valeur de la contrainte ultime lors de l’étirement s’est avérée proportionnelle à la quantité et à la qualité des cellules produites. Finalement, le ratio d’étirement, auquel la contrainte ultime est atteinte, est constant à environ 3,3, peu importe la taille des particules, leur concentration ou la température d’étirement. Ceci suggère que la matrice et la vitesse d’étirement sont responsables de la modulation du ratio d’étirement auquel la délamination matrice-particules se produit. Les travaux ont démontré que la concentration et la taille des particules sont inversement proportionnelles à l’épaisseur des parois cellulaires proportionnelles, au nombre de cellules observées et à la hauteur de ces cellules. L’abaissement de la température d’étirement a pour effet d’amplifier les effets respectifs associés à la taille et à la concentration des particules. / Piezoelectric cellular films have been developed, by bi-axial stretching followed by controlled cell inflation, from composite polypropylene (PP) films filled with mineral particles of calcium carbonate (CaCO3) and talc. An exhaustive literature review was done to identify the optimum values for the parameters describing the cellular structure promoting piezoelectricity. The most important morphological parameters associated with the structural stiffness of the films, which is inversely proportional to the piezoelectric coefficient, are: cell aspect ratio (a/b), cell thickness (b) and cell wall thickness (t). To optimize the cellular structure created during the bi-axial stretching step, PP films filled with CaCO3 and talc particles of different sizes and shapes were stretched at different temperatures and then underwent a gas diffusion expansion to improve the cell morphology. Initially, 0.9 mm sheets of PP/CaCO3 (12 μm, spherical), PP/CaCO3 (6 μm, spherical), PP/CaCO3 (3 μm, spherical) and PP/talc (10 μm, platy) were extruded before being bi-axially stretched at 152, 155, 158 and 160°C under a stretching rate of 2.4 m/min in both directions. The gas diffusion expansion treatment of the resulting films was done with nitrogen at 130°C. The cell morphology analysis was done from scanning electron microscopy (SEM) images to quantify a/b, b and t. It was observed that films made of PP/CaCO3 (3 μm) did not yield any cells. However, those made from PP/CaCO3 (12 μm) and stretched at 152°C had the best cellular structure when the CaCO3 concentration was 35% wt. The best morphology (t = 3.6 μm, a/b = 5.6 and b = 13.6 μm) was achieved within the targeted values to optimize piezoelectric properties. It was found that the ultimate stress during stretching depends on the cellular quality of the resulting film and that, independent of the size of CaCO3 or talc particles, their concentration or the stretching temperature. It was also observed that the stretching ratio at which the ultimate stress was obtained was always around 3.5. This suggested that both the stretching speed and the polymer matrix were responsible for the stretching ratio at which delamination occurs. As expected, particle concentration and their size were shown to be inversely proportional to cell wall thickness, but proportional to the number of cells observed and to their height. Decreasing the stretching temperature amplified the respective effects of the cell morphology associated with particles size and concentration.