Concept of hybrids magnetoelectric polymer-based composites : organic-inorganic piezoelectricity and magnetic coupling

Ce travail de thèse a pour objectif l'élaboration et l'analyse de composites hybrides magnétoélectriques à matrice polymère. Deux solutions sont étudiées : un système à deux phases avec une matrice électroactive (PVDF-TrFE) et des particules magnétiques (Ni) ; un système à trois phases avec une matrice neutre (α-PVDF), des particules piézoélectriques (NaNbO3) et des particules magnétiques (Ni). Une analyse de l'influence du facteur de forme des particules Ni a été réalisée. Un procédé original d'élaboration de nanochaines de nickel (NNCs) en voie polyol avec croissance sous champ magnétique modéré a permis de compléter la gamme des facteurs de forme. Le seuil de percolation électrique des NNCs a été observé pour une fraction volumique de 2,3% volumique. Cette valeur détermine la zone où le composite peut être polarisé et donc piézoélectrique. Les mesures du coefficient d33 donnent des valeurs allant jusqu'à 5,8 pC N-1 pour les composites P(VDF-TrFE)/Ni et jusqu'à 4,5pC N-1 pour les composites α-PVDF/NaNbO3/Ni. Dans les deux cas, l'utilisation de particules à haut facteur de forme entraîne une diminution de la valeur du d33 à cause d'une rigidification importante du système. Les analyses des propriétés magnétiques montrent une amélioration de l'aimantation rémanente ainsi que du champ coercitif pour les NNCs en comparaison des particules sphériques. Cette amélioration est encore plus perceptible lors de la mise en oeuvre des composites grâce à l'orientation des particules induites par la mise en oeuvre. Les propriétés de couplage ME sont mesurées pour les deux types de composites qui présentent tous une réponse ME importante. Le couplage le plus important pour les échantillons à matrice P(VDF-TrFE) est obtenu avec des nanofils de nickel à haut facteur de forme (250). Pour cet échantillon αME =4,2V m-1 Oe-1. Dans le cas des composites à 3 phases le coefficient αME =4,7 Vm-1Oe-1. Les meilleurs couplages sont obtenus avec les NiNPs car qui permettent une meilleure transduction. Les valeurs de couplage obtenues sont du même ordre de grandeur dans les deux types d'échantillon. La solution à trois hases peut être pertinente à de plus hautes températures.The aim of this research is the elaboration and analysis of hybrid magnetoelectric polymer-based composite. Two different types of composites have been studied: Firstly, a two-phase system with an electroactive matrix (P(VDF-TrFE)) and magnetic particles (Ni); secondly, a system based on a nonelectroactive matrix (α-PVDF), piezoelectric particles (NaNbO3) and magnetic particles (Ni). The influence of Ni particles aspect ratio has been carefully studied. An original process of mild polyol reduction under low static magnetic field has been proposed in order to generate magnetic growth of nickel nanochains (NNCs). Electrical percolation threshold has been determined at 2.3 vol % for the NNCs. This value allows us to determine the maximum fraction of nickel in composites in order to remain insulating. Thus, the composites may be polarized and then they can exhibit piezoelectric properties. Piezoelectric coefficient d33 shows significant values up to 5.8 pC N-1 for the P(VDFTrFE)/Ni composite and 4.5 pCN-1 for the α-PVDF/NaNbO3/Ni composite. In both cases, high aspect ratio nickel particles leads to a decrease of d33 due the stiffening of the matrix. Magnetic properties such as remnant magnetization and coercive field are improved with particles aspect ratio as compared to spherical particles. This enhancement appears more clearly when composites are processed thanks to the particles orientation due to the fabrication process. Coupling ME properties have been measured for both types of composites which exhibit a strong ME response. In P(VDF-TrFE) based composite, the highest coupling (αME =4.2Vm-1Oe-1 ) is obtained with high aspect ratio nickel nanowires (250). The αME reaches up to 4.7Vm-1Oe-1 in the three-phase composite and the best coupling is measured with NiNPs. The obtained values are of the same order of magnitude for both composites. The specific interest of the three-phase composite is to allow the use of higher temperatures