Design and preparation of a micro-harvesting device made of hybrid SMA/Piezoelectric polymer composite - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Design and preparation of a micro-harvesting device made of hybrid SMA/Piezoelectric polymer composite

Conception et préparation d'un dispositif de micro-récolte en composite hybride AMF/polymère piézoélectrique

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Abstract

Small-scale energy harvesting to power self-powered electronic devices is tremendously increasing. In this regard, the ability to combine thermal and mechanical harvesting using smart materials pays more attention. We have presented the feasibility of using P(VDF-TrFE) piezoelectric polymer coupled with NiTi shape memory alloy (SMA) to harvest both mechanical and thermal energy in simple scalable devices. A novel multi-layered SMA-P(VDF-TrFE) composite was fabricated and carried out their electro-thermo-mechanical performance. We have designed and developed an experimental bench to perform the electro-thermomechanical characterization of the composite, allowing us to measure the piezoelectric response when it is subjected to periodic heating and cooling. Furthermore, we performed the finite element analysis of the SMA-Piezoelectric composite and simulated the main properties of SMA such as superelastic behavior, one-way shape memory effect, and two-way shape memory effect, to finally identify the overall effective electro-thermomechanical behavior of the SMA-piezoelectric polymer composite. Finally, in order to efficiently harvest the electric charge generated from the P(VDF-TrFE) film, we have studied and compared two types of integrated converters and determined the conditions for effective energy harvesting. These results are promising, which showing the feasibility of this multilayered composite to power small electronics such as wireless sensors, MEMS and biomedical devices in an autonomous way.
La récupération d'énergie à petite échelle pour alimenter les appareils électroniques autoalimentés se développe considérablement. À cet égard, la possibilité de combiner la récolte thermique et mécanique à l'aide de matériaux intelligents fait l'objet d'une plus grande attention. Nous avons présenté la faisabilité de l'utilisation d'un polymère piézoélectrique P(VDF-TrFE) couplé à un alliage à mémoire de forme (AMF) NiTi pour récolter à la fois l'énergie mécanique et thermique dans des dispositifs évolutifs simples. Un composite multicouche AMF-P(VDF-TrFE) a été élaboré et a démontré ses performances électro-thermo-mécaniques. Nous avons conçu un banc expérimental pour effectuer la caractérisation électro-thermomécanique du composite, permettant de mesurer la réponse piézoélectrique lorsqu'il est soumis à un chauffage et un refroidissement périodique. De plus, nous avons réalisé l'analyse par éléments finis du composite AMF/Piézoélectrique et simulé les principales propriétés du SMA telles que le comportement super-élastique, l'effet de mémoire de forme unidirectionnel et l'effet de mémoire de forme bidirectionnel, pour finalement identifier le comportement électro-thermomécanique effectif global du composite AMF-polymère piézoélectrique. Enfin, afin de récolter efficacement la charge électrique générée à partir du film P(VDF-TrFE), nous avons étudié et comparé deux types de convertisseurs élévateurs intégrés, et déterminé les conditions pour une collecte d’énergie effective. Ces résultats sont prometteurs et montrent la faisabilité de ce composite multicouche pour alimenter de manière autonome de petits appareils électroniques tels que des capteurs sans fil, des MEMS et des dispositifs biomédicaux.
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Dates and versions

tel-03417207 , version 1 (05-11-2021)

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  • HAL Id : tel-03417207 , version 1

Cite

Sunija Sukumaran. Design and preparation of a micro-harvesting device made of hybrid SMA/Piezoelectric polymer composite. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université de Lorraine, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0140⟩. ⟨tel-03417207⟩
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