Optimización de la activación eléctrica y de la respuesta piezoeléctrica de polímeros espumados y modelización de los procesos electrostáticos internos

Résumé

[EN] A piezoelectric device has the capability of converting electrical energy into vibrational energy and vice versa it can be used in a direct and inverse effect. At present piezoelectricity is found in many applications from daily use devices to spatial technology, and recently, thanks to nano-materials and the development of MEMS devices (Micro-Electro-Mechanical-Systems) a wide field of applications for piezoelectric materials opens. The traditional piezoelectric ceramics materials are produced by means of complicate expensive production processes and infrastructures, which limit their use. Due to that, the use of economic and easily manufacture materials are attracting attention. For this PhD, we chose a thin film commercial material made of base polymer with a high resistivity and low polarity. This thesis is based on the optimization process of piezoelectric materials from foam polymers. Specifically, it's investigated its transformation into a piezoelectric material, its characterization and process improvement measures. Different comparative response of the material are presented aimed to future applications. It worked with a commercial foam polymer without reference from its use. This polymer has low cost and excellent mechanical properties, like flexibility, shape ability and high piezoelectric constants. The material is produced in large sizes and it is used in vibrational attenuation applications. The most usual application is like thermal insulation. The thesis begins with an experimental part where there is a review of the measurement setup. Non treated material is characterized and then improvements of the activation and measurements systems are presented. In the experimental part the characteristics of the materials used and the different techniques used for characterization are described. The transformation of the polymer into a piezoelectric material by different methods of corona discharge, different electrode fabrication and measurements are explained. Also-each experimental assembly with their measurements is shown on many samples to study its behaviour. Laser interferometry measurements performed by two different teams are shown. These measurements were made in our laboratories and at the Delft University (The Netherlands). As a consequence of all these developments on this thesis we propose better characterization systems and some ways to improve the piezoelectric constant response of piezoelectric materials made from foam polymers. The structural modification of the materials to make piezoelectric samples with excellent characteristics is described. This transformation at present can be made by production companies and their implementation is possible without expensive costs. The main objective was the major understanding of the mechanical-electrical interaction of the material and to reach the limits of their capabilities for future appropriate applications. Modelling of internal process has been carried out with two different models that agree with each other. Although direct measurement of some magnitudes was not possible, at least, both models have shown the coherency of measurement data. [ES] Un dispositivo piezoeléctrico tiene la capacidad de convertir energía eléctrica en energía mecánica o viceversa, aprovechando su efecto directo e inverso. En la actualidad la piezoelectricidad encuentra aplicaciones en dispositivos de uso cotidiano hasta tecnología espacial y recientemente, con el auge de los nano-materiales y el desarrollo de dispositivos MEMS (Sistemas-Micro-Electro-Mecánicos) se abre un campo de desarrollo infinito para los materiales piezoeléctricos. Los materiales piezoeléctricos tradicionales cerámicos que abarcan gran parte de las aplicaciones, se fabrican mediante procesos complejos de producción con infraestructuras y costes elevados. Por ello, cobra interés el uso de materiales más económicos y fácilmente procesables. Esa es la razón por la cual en esta tesis se optó por un material comercial formado por un polímero base con alta resistividad y baja polaridad, en forma de lámina delgada y con las propiedades mecánicas de un film plástico. La presente tesis tiene por objeto el proceso de optimización de materiales piezoeléctricos basados en polímeros espumados. En particular, se investiga su transformación en un material piezoeléctrico, su caracterización y la mejora del proceso, presentándose medidas experimentales y diferentes comparativas de respuesta del material para futuras aplicaciones. Se trabajó con un polímero espumado comercial de bajo coste y con propiedades mecánicas que no se pueden encontrar en otros materiales piezoeléctricos como flexibilidad, capacidad de adquirir diversas formas y su elevada constante piezoeléctrica. Este material base se produce en grandes cantidades y se utiliza en aplicaciones para atenuación de vibraciones y como aislante térmico. Pertenece a la familia de las espumas de poliolefinas. La tesis aborda una primera parte experimental donde se revisan todos los montajes realizados para medidas y se presentan las caracterizaciones del material sin tratar y una segunda parte de optimización tanto de los sistemas de activación y de medida como de las propiedades de los materiales obtenidos. En la parte experimental se presentan las características de los materiales tratados y las diferentes técnicas utilizadas para su caracterización, luego se describe el montaje experimental inicial con que se comenzó la investigación y se explica la transformación del polímero en un material piezoeléctrico por diversos métodos de carga por descargas corona, fases de conformado de electrodos y medidas. También se presenta cada montaje experimental con su correspondiente medida en diferentes muestras, para estudiar su comportamiento. Se incorpora la medida por medio de interferometría láser realizada por dos equipos diferentes con la colaboración de la Universidad de Delft de Holanda. Como consecuencia de todos los desarrollos de esta tesis se proponen mejores sistemas de caracterización y formas de mejorar la constante piezoeléctrica de materiales piezoeléctricos a base de polímeros espumados. De todos los materiales utilizados se presenta la transformación estructural para lograr materiales piezoeléctricos que puedan competir con los actuales que existen en el mercado. Esa transformación en la actualidad se podría realizar por las empresas productoras de estos materiales y su implementación sería viable sin costos excesivos como también el sistema para cargar el material. Como el material piezoeléctrico puede trabajar como sensor o como actuador, el objetivo fue el de una mejor comprensión de la interacción eléctrica-mecánica de este material y llevar al límite sus capacidades para poder identificar las posibles aplicaciones. Por ello, también se realizó un modelo teórico del material a partir de dos modelos distintos que concuerdan y permiten, si no obtener directamente algunas magnitudes internas del material, al menos corroborar la coherencia de los datos obtenidos. [CAT] Un dispositiu piezoelèctric té la capacitat de convertir energia eléctrica en energia de vibració o viceversa s'aprofita l'efecte directe o invers. En l'actualitat la piezoelectricitat es troba immersa en dispositius d'ús quotidià fins a tecnologia espacial, amb l'auge dels nano-materials i el desenrotllament de dispositius MEMS (Sistemas-Micro- electromecànics) s'obri un camp d'aplicació infinit per als materials piezoelèctrics. Els materials tradicionals ceràmics tenen processos complicats de producció amb infraestructures i costos elevats limitant el seu ús. A causa d'això es va optar per un material comercial format d'un polímer base molt resistivo amb baixa polaritat, en forma de làmina prima i amb les propietats mecàniques d'un film plàstic. En piezoelectricitat són importants els sistemes de mesura ja que es poden obtindre diferències substancials d'acord al mètode utilitzat i per això també s'ha aprofundit en esta tesi. La present tesi es basa en el procés d'optimització de materials piezoelèctrics basant-se en polímers espumats. La seua producció en un material piezoelèctric, caracterització i millora del procés presentant-se mesures experimentals i diferents comparatives de resposta del material per a futures aplicacions. Es va treballar amb un polímer espumat comercial que no ha sigut utilitzat d'acord amb publicacions científiques. Este polímer és de molt baix cost i amb propietats mecàniques que no es poden trobar en altres materials piezoelèctrics com a flexibilitat, capacitat d'adquirir diverses formes i la seua elevada constant piezoelèctrica. Este material base es produïx en grans quantitats i se l'empra en aplicacions per a atenuació de vibracions i com a aïllant tèrmic el qual pertany a la família de les bromera de poliolefinas. La tesi aborda una primera part experimental on es revisen tots els muntatges per a mesures realitzats i es presenten les caracteritzacions del material sense tractar i una segona part d'optimització tant dels sistemes d'activació i de mesura com de les propietats dels materials obtinguts. En la part experimental es presenten les característiques dels materials utilitzats i les diferents tècniques utilitzades per a la seua caracterització, després el muntatge experimental inicial amb que es va començar la investigació i s'explica la transformació del polímer en un material piezoelèctric per diversos mètodes de càrrega per descàrregues corones, fases de conformat d'elèctrodes i mesures. També es presenta cada muntatge experimental amb la seua corresponent mesura en diferents mostres, per a estudiar el seu comportament. S'incorpora la mesura per mitjà d'interferometría làser realitzada per dos equips diferents i la col¿laboració de la Universitat de Delft d'Holanda en diferents mesures. Com a conseqüència de tots els desenrotllaments d'esta tesi es proposen millors sistemes de caracterització i formes de millorar la constant piezoelèctrica de materials piezoelèctrics basant-se en polímers espumats. De tots els materials utilitzats es presenta la transformació estructural per a aconseguir materials piezoelèctrics que puguen competir amb els actuals que existixen en el mercat. Eixa transformació en l'actualitat es realitza per les empreses productores d'estos materials i la seua implementació seria viable sense costos excessius com també el sistema per a carregar el material. Com el material piezoelèctric pot treballar com a sensor o com a actuador, l'objectiu va ser el de comprendre millor la interacció elèctrica-mecànica d'este material i portar al límit les seues capacitats per a poder ubicar les possibles aplicacions adequades. Per això, també es va realitzar un model teòric del material a partir de dos models distints que concorden i permeten, si no obtindre directament algunes magnituds internes del material, almenys corroborar la coherència de les dades obtinguts.