1.7.1.3.1 Généralités
Le terme " polymère" signifie littéralement
« plusieurs parties». Les polymères solides peuvent être
divisés en deux catégories : amorphes et semi-cristallines. Le
polyfluorure de vinylidène "PVDF" étant un polymère
semi-cristallin, il présente une phase cristalline et une phase amorphe
[10,54,55,56].
· La phase amorphe est constituée de
chaînes moléculaires désordonnées, qui
représentent environ la moitié du volume du matériau et
déterminent l'essentiel de ses propriétés
mécaniques.
· La phase cristalline peut présenter quatre
structures distinctes dont trois polaires (â, ã, ä) et une
non polaire a.
La phase cristalline la plus fréquente est la lamelle
qui résulte des replis successifs de chaînes polymères sur
elles-mêmes. Une chaîne polymère peut participer à
plusieurs lamelles, de la même façon qu'une lamelle peut
être constituée de plusieurs chaînes différentes. Les
lamelles ont la possibilité de s'organiser en une structure
semi-cristalline nommée sphérolite (diamètre de l'ordre du
ìm). Les sphérolites sont constituées par un arrangement
radial des lamelles à partir d'un centre de nucléation. Bien que
les sphérolites soient une structure semi-cristalline, elles ne sont pas
elles-mêmes totalement cristallines. Il y a toujours, une phase amorphe
présente, notamment entre les lamelles constituant les
sphérolites (cf. figure 1.9).
Phase cristalline
(Lamelle)
Phase amorphe
Fig. 1.9 - Diagramme schématique d'un sphérolite
montrant la disposition radiale de ses
lamelles cristallines et localisation
des phases amorphes [56]
Le polymorphe du PVDF le plus couramment obtenu est la phase
a. A partir de la structure cristalline a centrosymétriques, qui ne
présente pas de propriétés piézoélectriques,
on peut obtenir une structure cristalline non centrosymétriques
(â) par étirement uniaxial ou biaxial ou par compression sous
haute pression hydrostatique. La phase â présente la plus grande
activité piézoélectrique par rapport aux phases ã,
ä.
Quelle que soit la phase polaire obtenue, le moment dipolaire
de chacun des cristaux est orienté de façon aléatoire dans
le matériau, de sorte que la polarisation macroscopique est nulle.
Ainsi, pour obtenir une bonne activité piézoélectrique, le
PVDF orienté (en phase â) doit être polarisé
électriquement : il s'agit d'orienter la polarisation
ferroélectrique des cristaux suivant un champ électrique
appliqué perpendiculairement au plan du film. L'un des
procédés courants consiste à appliquer à haute
température (typiquement 80 a 130 oC), et pendant 15 a 120
minutes, un champ électrique proche (mais inférieur) au champ
coercitif maximal, de l'ordre de 30 a 120 V/ìm, entre les
électrodes métalliques déposées sur les faces du
film polymère. Il est à noter que les propriétés
piézoélectriques dépendent fortement de la polarisation
rémanente du matériau.
1.7.1.3.2 Origine de la
piézoélectricité dans le PVDF
Les origines physiques des propriétés
piézo-électriques de ce matériau sont restées
longtemps controversées [43]. De nombreux modèles ont
été avancés afin d'expliquer ces propriétés.
Le modèle couramment admis est celui de cristallites
ferroélectriques noyées dans une matrice amorphe. Il
apparaît que l'activité piézoélectrique de ces
matériaux provient à la fois :
· Des variations de leurs dimensions
géométriques dues à la contrainte ou à la
température.
· Des variations de la polarisation des cristallites dues
à la contrainte ou à la température.
· Des variations de permittivité dues à la
déformation.
1.7.1.3.3 Caractéristiques des polymères
piézoélectriques PVDF
Les films piézoélectriques PVDF présentent
plusieurs avantages [18,27,34]:
· Bonne flexibilité : possibilité
d'adaptation à des surfaces non planes et possibilité de
fabrications dans une variété de formes.
· Légèreté et coût abordable.
· Épaisseurs possibles de quelques
micromètres à une centaine de micromètres.
· Possibilité d'utilisation dans une large gamme de
fréquence s'étendant de 0,001 Hz à 109 Hz.
· Impédance acoustique faible, proche de celle de
l'eau, tissu humain et systèmes adhésifs.
· Coefficient de tension piézoélectrique
élevé.
· Haute stabilité : il présente une
très faible absorption d'humidité (inférieur à
0.02%) ainsi qu'une très bonne résistance aux agressions
extérieures (agents chimiques, oxydants, rayons ultraviolets et
radiations nucléaires).
· Possibilité de collage avec les adhésifs
commerciaux.
Leurs principaux inconvénients sont :
· Coefficients de couplage plus faible que celle des
céramiques piézoélectriques.
· Coefficients de charges piézoélectriques
plus faibles que celle des céramiques piézoélectriques.
· Constantes diélectriques plus faibles que celle
des céramiques piézoélectriques.
· Coefficients de pertes diélectriques plus
élevés que celle des céramiques
piézoélectriques.
