Thèse Elaboration et Caractérisation de Composites Piézoélectriques sans Plomb pour Capteurs et Récupération de l'Énergie H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Polytechnique Hauts de France École doctorale : Ecole Doctorale Polytechnique Hauts-de-France Laboratoire de recherche : Laboratoire CERAMATHS - Département Matériaux et Procédés Direction de la thèse : Mohamed RGUITI ORCID 0000000168054898 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Les composites piézoélectriques céramique/polymère de connectivité 0-3 représentent une solution équilibrée entre performance fonctionnelle, facilité de fabrication et contraintes économiques. L'intégration de particules piézoélectriques sans plomb renforce leur pertinence dans un contexte de transition vers des technologies plus durables, en particulier pour des applications de capteurs distribués et de systèmes autonomes.
Cette thèse s'inscrit dans une démarche progressive et cohérente visant à concevoir, élaborer et optimiser des composites piézoélectriques à base de polymères chargés par des poudres piézoélectriques sans plomb (exemple BT, BNT et BCTZ), en mettant en évidence l'impact de la nature des charges, de leur synergie et des interactions interfaciales sur les propriétés structurales, mécaniques, diélectriques et piézoélectriques, en vue d'applications de récupération d'énergie vibratoire dans les dispositifs flexibles.
L'optimisation fine de l'architecture des composites, notamment par le contrôle de la taille, de la morphologie et de la fonctionnalisation de surface des charges, pourrait permettre d'améliorer davantage les interactions interfaciales et le couplage électromécanique. Par ailleurs, l'intégration de ces films composites dans des structures flexibles représente une voie attractive pour le développement de dispositifs portables et autoalimentés. L'exploration de composites multifonctionnels associant des réponses piézoélectriques, magnétiques et diélectriques ouvre également la possibilité de concevoir des systèmes capables de récupérer l'énergie mécanique tout en assurant des fonctions de détection avancées. Enfin, l'étude de la durabilité, du vieillissement et de l'impact environnemental de ces matériaux constituera un axe essentiel pour leur transfert vers des applications industrielles et technologiques à grande échelle.
Les matériaux piézoélectriques sont largement utilisés dans les domaines des capteurs, actionneurs, transducteurs ultrasonores et dispositifs de récupération d'énergie. Les céramiques piézoélectriques, telles que le titanate zirconate de plomb (PZT), présentent d'excellentes performances électromécaniques mais souffrent de limitations liées à leur fragilité, leur forte impédance acoustique et leur impact environnemental à cause du plomb. Ces contraintes ont conduit au développement de composites piézoélectriques céramique/polymère, offrant un compromis entre performance fonctionnelle, adaptabilité mécanique et coût.
La recherche sur les matériaux piézoélectriques sans plomb s'est intensifiée afin de répondre aux contraintes environnementales et réglementaires associées à l'utilisation du plomb. Des céramiques telles que BaTiO, BaxCa(1-x)TiyZr(1-y)O, (K,Na)NbO ou Na.Bi.TiO ont été étudiées comme alternatives aux PZT. Dans le cadre des composites de connectivité 0-3, ces matériaux ont été intégrés sous forme de particules dispersées dans des matrices polymères. Cette notion de connectivité décrit la continuité spatiale des phases constitutives d'un composite. Dans un composite de connectivité 0-3, la phase céramique est constituée de particules isolées, dispersées dans la matrice polymère continue tridimensionnelle. Cette architecture permet une mise en forme simple et une bonne flexibilité mécanique, au prix de performances piézoélectriques inférieures à celles des composites à connectivité plus élevée.
Les composites 0-3 constituent un système modèle pour l'étude des interactions multiphasiques. Les propriétés effectives dépendent fortement de la fraction volumique de céramique, de la morphologie des particules et de la nature de la matrice polymère. De nombreux modèles micromécaniques ont été développés afin de prédire les propriétés électromécaniques effectives et d'optimiser la conception de ces matériaux. Des composites BNT/époxy ont ainsi montré une réponse piézoélectrique mesurable malgré des performances inférieures à celles des composites à base de PZT [1]. D'autres travaux ont mis en évidence l'intérêt de composites BaTiO/PVDF et BiFeO-BaTiO/PVDF pour des applications de capteurs flexibles et de récupération d'énergie à faible puissance [2,3]. Des revues récentes confirment le potentiel de ces solutions sans plomb pour des applications durables et économiquement viables [4].
L'intérêt industriel des composites 0-3 repose principalement sur la simplicité de leur procédé de fabrication et sur leur faible coût. La réduction de la fraction de céramique, matériau coûteux, et l'utilisation de polymères standards permettent une production à grande échelle compatible avec des applications à fort volume. Ces atouts compensent des performances piézoélectriques modérées, adaptées à de nombreux capteurs et dispositifs intégrés. Malgré leurs avantages en termes de coût, de flexibilité et de facilité de fabrication, les composites piézoélectriques céramique/polymère de connectivité 0-3 présentent des limitations intrinsèques liées à leur architecture. La discontinuité de la phase céramique entraîne une réduction significative des coefficients piézoélectriques effectifs, ce qui limite leur emploi dans des applications nécessitant des performances élevées.
L'utilisation de céramiques piézoélectriques sans plomb accentue ces limitations, les performances intrinsèques de ces matériaux restant généralement inférieures à celles des PZT. Toutefois, dans une approche système, ces performances modérées peuvent être compensées par une meilleure adaptabilité mécanique, une intégration facilitée et une conformité accrue aux réglementations environnementales.
Les perspectives de recherche actuelles s'orientent vers l'optimisation de la dispersion des particules, notamment par le contrôle de leur taille, de leur forme et de leur orientation, ainsi que par l'ingénierie des interfaces céramique/polymère. L'introduction de charges nanométriques, de structures hiérarchiques ou de polymères électroactifs avancés constitue également une voie prometteuse pour améliorer le couplage électromécanique.
Enfin, le développement de procédés de fabrication compatibles avec l'impression additive et l'électronique flexible ouvre de nouvelles perspectives pour les composites 0-3 sans plomb, en particulier dans le domaine des capteurs distribués, de l'Internet des objets et des systèmes à faible impact environnemental.
Sur la base de ces considérations le travail envisagé et les résultats escomptés reposent sur les points suivants :
- Introduction de charges piézoélectriques sans plomb (BT, BNT, BCZT) afin de limiter les impacts environnementaux des poudres à base du plomb
- Association d'autres charges (comme par exemple -FeO) au sein de la matrice polymérique : ce qui permettra non seulement d'améliorer les interactions interfaciales et la polarisation interfaciale de type Maxwell-Wagner, mais aussi d'ouvrir la voie à des matériaux multifonctionnels présentant des réponses couplées électrique, mécanique et magnétique.
- Etude de l'effet des charges nanométriques sur la cristallinité de la matrice polymérique (dans le cas de matrices piézoélectriques comme le PVDF ou le PLA)
- Intégration de ces films composites dans des structures flexibles (textiles par exemple) représente une voie attractive pour le développement de dispositifs portables et autoalimentés
- Exploration de la fabrication additive qui permettrait de réaliser des géométries sur mesure adaptées à des dispositifs mécaniques spécifiques
- Etude de la durabilité, du vieillissement et de l'impact environnemental de ces matériaux