CONTROLE ELECTROACTIF DE FORME Etat de l art et perspectives

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1 CONTROLE ELECTROACTIF DE FORME Etat de l art et perspectives Alexis RENOTTE - Jérôme DUVAL - Bertrand NOGAREDE GDR - Contrôle des décollements - Groupe Profil journée du 9 juillet site de l ENSMA Poitiers

2 Matériaux Electroactifs : La conversion électromécanique s effectue au sein de la matière. Déformation des mailles cristallines sous l effet : - d un champ électrique ( Piézoélectricité, Electrostriction ) - d un champ magnétique ( piézomagnétisme, Magnétostriction ) - Effet de «Mémoire de forme» (cisaillement de la structure cristalline par effet thermo-mécanique ) Différents Matériaux : - Céramiques et fibres piézoélectriques - Polymères électroactifs - Alliages à mémoire de forme - barreaux magnétostrictifs

3 Comparaison des différents procédés exploitables Efforts moteurs spécifiques T m (MPa) ,1 0,01 0,001 0,0001 0, ,1 Actionneurs Hydrauliques Matériaux «Electroactifs» Effets Magnétiques Effets Electriques MW.m MW.m MW.m -3 1 MW.m Vitesse de déformation relative S (rad.s -1 ) Turboalternateur 1500 MW Moteur électroménager Micromoteur à effet électrique Barreau Piézoélectrique (PZT - multicouche) Barreau Magnétostrictif (Terfénol D - transducteurs sonar) Alliage à mémoire de forme Actionneur hydraulique (gouverne aéronautique) Machine à vapeur (locomotive) Muscle biologique Polymères électroactifs

4 Possibilités d adaptation des caractéristiques de sortie Action sur la géométrie : Longueur X 5 1,4 Largeur / 5 Action sur les matériaux : Nylon - Film PVDF Comparaison à énergie électrique constante (5mJ) F (N) Souplesse X 30 Permittivité relative / 300 Constante de charge / 10 0,06-7,8 δ (mm) -1,63-0,32 0,02

5 Architectures d actionneurs amplifiés Structure bimorphe (céramique piézoélectrique + substrat métallique) Structure Flextenseur Céramiques multicouches + amplification mécanique des déplacements Cedrat technologies

6 Ordres de grandeurs, un exemple : la solution du bimorphe Longueur Epaisseurs Matériau électroactif Substrat Encastrement Bimorphe «de référence» : Matériaux (substrat / matériau actif) : Laiton / Céramique massive PZT P1-91 Longueur : 100 mm Epaisseurs matériau électroactif / Substrat : 1 mm / 1,56 mm Effort en régime bloqué / Déplacement à vide : 1,4 N / 0,32 mm Moment de flexion maximal : 0,138 N.m

7 Changement d échelle... Longueur : Epaisseurs matériau électroactif / substrat : Effort en régime bloqué / Déplacement à vide : Moment de flexion maximal : 5 m 10 mm / 18,9 mm 110 N / 72,7 mm 551 N.m (Energie électrique mise en jeu : 94 J)

8 Contrôle de forme : Applications quasi-statique

9 Contrôle de forme quasi-statique: les alliages à mémoire de forme Couplage électro-thermo-élastique Contraintes de l ordre de 100 Mpa Comportement hystérétique Déformée relative: de l ordre de 5% Dynamique lente GRANDES DEFORMEES POUR APPLICATION QUASI-STATIQUES (Matériau le plus utilisé : nitinol) déformée relative en % 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Transformation martensitique Cycle thermique d'un alliage à mémoire de forme sous contrainte mécanique température en C Transformation austénitique Echauffement refroidissemen Fil de nitinol (1mm de diamètre)

10 Contrôle de forme quasi-statique: Exemples d applications Composites piézoélectriques: ( ici, modification de cambrure avec composite piézoélectrique, J.-L. Pinkerton and R.-W. Moses, NASA, 1997) Fils AMF : contrôle de bord de fuite avec fils AMF, (Kudva J., Jardine P., Martin C., Appa K., SPIE Vol 2721, 1996) déformé Aile «reconfigurable» à profil variable (Justin K. Strelec, Dimitris C. Lagoudas, 2002)

11 Contrôle de forme : Applications Dynamiques

12 Réduction des vibrations dans un rotor d hélicoptère Actionneur localisé Céramiques piézoélectriques Barreau magnétostrictif Actionneur magnétique Motricité répartie : actionneur composite intégré Fibres piézoélectriques Polymères électroactifs

13 Le PALM : Objectifs Simulation : Réduction de la traînée de frottement de 30 % par contrôle des stries Validation : Réalisation d une voilure vibrante parcourue d une onde sinusoïdale dont les caractéristiques dépendent de l écoulement Type d écoulement Laminaire Turbulent Vitesse de l écoulement 2 8 (m/s) Largeur des stries (mm) Longueur d onde (mm) Pression exercée par l écoulement (Pa) Force sur 10 cm² de surface (mn) Amplitude de la déformation (mm) Fréquence (Hz)

14 Réalisation technologique Actionneur seul : Fréquence de résonance : 40 Hz Amplitude : 2.51 mm Rapport levier : 197 Dispositif complet : installé dans la soufflerie S4 de l IMFT.

15 Conclusion et perspectives Les nouveaux matériaux actifs : Grandes capacités d intégration Densité d énergie massique élevée Grande plage d application, autant statiques que dynamiques Simplicité d utilisation Réalisation de structures adaptatives Nouveaux concepts d actionneurs à plusieurs degrés de liberté Solutions pour l aéronautique à faible coût énergétique