Direction: C. Deslouis et F. Cohen-Tenoudji Elaboration, caractérisation et modélisation de muscles artificiels utilisant des polymères électroactifs Tolga Zengin Direction: C. Deslouis et F. Cohen-Tenoudji

Contenu 1 - Introduction aux actionneurs polymères electroactifs 2 - Travaux précédents 3 - Travaux sur actionneurs élaboré de polymères ioniques 4 - Travaux sur actionneurs élaboré de polymères conducteurs 5 – Conclusion et travaux futurs

Introduction Céramiques électroactifs Polymères Electroactifs Ionique Electronique >1 KV 50-800 V 1-10 V

PEA ionique : Composé Métallique du Polymère Ionique (CMPI) Déformations importantes Voltage appliqué (0-10 V) Faible impédance électrique et mécanique. Fonctionnelle dans les ambiances humide et sec

PEA ionique : Polymères conducteurs Les polymères conducteurs ont la propriété de perdre et gagner facilement des électrons (par des réactions d'oxydoréduction) quand ils sont soumis à une tension. Structures trois couches de Polymère conducteur / Polymère Non-conducteur / Polymère conducteur permettent l’élaboration d’actionneurs, où le polymère conducteur est employé en tant que le matériel actif et électrode en même temps.

PEA ionique : Polymères conducteurs Configurations Possibles pour réaliser un actionneur « trois couches » fonctionnant avec un polymère conducteur

CMPI vs Polymères conducteurs Comparaison de certaines propriétés de CMPI avec PC

Travaux Precedents Modélisation de CMPI Strain Energy Altered by External Work Work done on the cantilever by external force

Travaux Precedents Modélisation de CMPI La réponse du faisceau à une potentiel carré (2V) à travers l'épaisseur et la comparaison avec le modèle en termes de déplacement linéaire du bout.

Travaux Precedents Modèle 3D de l’actionneur longitudinal Un prototype d’actionneur proposé Simulateur du modèle d’actionneur : 6 paramètres matériels (Kv, T, E, L, b, h et 2 paramètres d’actionnement (V, F) Simulateur modèle : actionneur fixe dans 3D vue, jaune : actionneur au repos, vert : État actionné.

Travaux Precedents Simulateur de muscle - doigt Résultats de simulation Différences de pression entre les muscles antagonistes

Elaboration du Composé Métallique du Polymère Ionique (CMPI) Ionic Polymer Metal Composites (IPMC) Fabrication Traitement conventionnel pour augmenter la rugosité de la membrane Echantillon de Nafion Traitement avec papier de verre Lavage ultrasonique Traitement avec HCl and H2O2

Elaboration du CMPI Dépôt sans courant Processus d'échange ionique : Immersion dans sel en métal noble Nafion est immergé dans le solution de Tetra Ammine Platinum Chloride Hydrate, Pt(NH3)4Cl2·xH2O, pour 24h. [Pt(NH3)4]2+ ions entrent dans le membrane de Nafion et ils remplacent les ions de H+ Pt(NH3)4Cl2+H2O → [Pt(NH3)4]2+(aq) + 2Cl- (aq)

Elaboration du CMPI Dépôt sans courant Réduction d'ions de métal Les particules métalliques de platine ne sont pas homogènement formées à travers le matériel mais se concentrent principalement près des frontières d'interface. Intallation d’elaboration de CMPI dans notre laboratoire [Pt(NH3)4]2+ + 2e- → Ptº + 4NH3 NaBH4 + 8OH- → BO2 + Na+ + 6H2O + 8e- __________________________________________________________________________________________ NaBH4 + 4[Pt(NH3)4]2+ + 8OH- → 4 Ptº + 16NH3(g) + BO2 + Na+ + 6H2O

Fabrication of IPMC Changement de cation Effet de la chaleur sur colonne de polyélectrolyte d'ion. Installation d'échange cationique Mécanisme d'échange cationique

Effets d’etching fractale sur la fabrication de CMPI Traitement de plasma avec rétroaction d’imagerie MEB Traitement Plasma et imagerie MEB correspondant. 21 différent paramètres de traitement plasma ont été essayé.

Analyse Fractal de Surface de Polymère

Analyse Fractal de Surface de Polymère Image Binaire Image d'échantillon Échantillon inversé

Analyse Fractal de Surface de Polymère Binary Image 1.638

Analyse Fractal de Surface de Polymère 3µ x 3µ dimension fractal = 1.456 5µ x 5µ dimension fractal = 1.443

Analyse Fractal de Surface de Polymère 10µ x 10µ dimension fractal = 1.449

Effets d’etching fractale sur la fabrication de CMPI Détermination de dimension fractale de surface E15 = 1.405 E16 = 1.518 E17 = 1.315 E19 = 1.540 E 21 = 1.497

Effets d’etching fractale sur la fabrication de CMPI Procédé de fabrication Nafion plasma treatment with Ar and N2 with parameters pressures of 6.8 to 15 mTorr, gas flows of 10.7 to 56.6 sccm RF powers of 20 to 80 Watts. Rinsing the plasma treated Nafion in HCl for 1 hr at 70°C and in H2O2 for 1 hr. at 70°C Immersing the Nafion in Platinum salt solution for more than 24 hr. Electroless plating of platinum layers using reduction agent solution at 40°C to 60°C for about 5 hr.

Effets d’etching fractale sur la fabrication de CMPI Détermination de la résistance de surface Principe de mesure de résistance de surface Installation de mesure de résistance de surface

Effets d’etching fractale sur la fabrication de CMPI Création d'une carte de la résistance de surface

Effets d’etching fractale sur la fabrication de CMPI Resultats

Effets d’etching fractale sur la fabrication de CMPI Méthode conventionnelle contre l’etching Sandblasting / Sandpapering Fractal Etching Achieved result Probable curve 2.5 Ω in 5 cycles of fabrication (S.E. Cha et al, Trans. KIEE. Vol.51C, No. 12, Dec 2002) 1.61 Ω/sq in 1 cycle.

Effets d’etching fractale sur la fabrication de CMPI Analyse de profondeur d’etching contre l'analyse de dimension de surface S. J. Kim et al. Smart Mater. Struct. 16 (2007) N6–N11

Caractérisation de CMPI Vibrometre à Laser Installation de caractérisation au l'Institut Jean le Rond d'Alembert, Site de Saint-Cyr.

Caractérisation de CMPI

Caractérisation de CMPI CMPI en porte-à-faux Tête de capteur de déplacement L'eau deionisé pour l'humidification unité de connecteur Minuteur Poids Installation expérimentale pour des expériences de caractérisation

Caractérisation de CMPI

Caractérisation de CMPI

Caractérisation de CMPI Module d’Young Notre méthode pour la caractérisation du module d’Young Deux mesures de déplacement sont faites pendant l’actionnement avec l'extrémité libre et chargée. Des données de différence sont employées pour déterminer UMAX (donc module d’Young E=194 MPa)

Caractérisation de CMPI Module d’Young

Caractérisation de CMPI Module d’Young

Actionneurs Ultra-Minces du PEDOT l’Or PEDOT Platine Mica Mica Platine PEDOT

Actionneurs Ultra-Minces du PEDOT Comparaison d’efficacité du dépôt du PEDOT par Voltammetrie Cyclique et Chronopotentiometrie

Actionneurs Ultra-Minces du PEDOT Observation des transferts à différentes vitesses de balayage Transfert du PEDOTdeposé par Chronopotentiometrie (1000 nm) dans solution de ClO4- / ACN, Differentes Vitesses Transfert du PEDOT deposé par Voltammetrie Cyclique dans solution de ClO4- / ACN, Differentes Vitesses CP VC

Actionneurs Ultra-Minces du PEDOT Calcul d’epaisseur utilisant le charge anodique Transfert du PEDOT deposé par Voltammetrie Cyclique dans solution de ClO4- / ACN

Actionneurs Ultra-Minces du PEDOT Calcul d’epaisseur utilisant le charge anodique Transfert du PEDOT deposé par Voltammetrie Cyclique dans solution de ClO4- / ACN

Actionneurs Ultra-Minces du PEDOT Calcul d’epaisseur utilisant le charge anodique

2 1 Actionneurs ultra-minces du PEDOT Préparations pour mesures d’AFM Préparation d’un cache Mylar® d’épaisseur 30 μ 2 1

Actionneurs Ultra-Minces du PEDOT Préparations pour Mesures d’AFM

Conclusion Nous avons optimisé le processus d’élaboration des actionneurs de polymère electroactive de CMPI utilisant le traitement préparatoire de plasma pour modifier la morphologie extérieure. L'utilisation d’etching fractale diminue le temps et la matière employés dans le processus d’élaboration d‘CMPI. Travaux futurs Caractérisation des actionneurs ultra minces PEDOT utilisant l’AFM Caractérisation des actionneurs CMPI avec la système CORELI de LMT-CACHAN Réalisation des CMPI avec électrodes de PEDOT sur Pt (avec ITODYS)