Etude de l'actionnement de films polymères électrocaloriques pour la réalisation de système de micro-réfrigération // Study of the actuation of electrocaloric polymer films for the development of micro-refrigeration systems

Le développement de la réfrigération à l'état solide a mis en lumière les matériaux électrocaloriques (EC) sous forme de films minces comme des candidats prometteurs, grâce à leur capacité à permettre la réalisation de systèmes de refroidissement ultra-compacts et énergétiquement efficaces. Un film électrocalorique présente un changement de température adiabatique lorsqu'il est polarisé électriquement. Dans ce cadre, le film est actionné de manière électrostatique par 'zipping' et est utilisé comme vecteur de chaleur à travers l'épaisseur du système, entre la face chaude et la face froide à refroidir. L'objectif principal du projet de recherche CooT (Cooling Tile, ANR-AAPG 2025), est de démontrer le potentiel des polymères électrocaloriques P(VDF-TrFE-CFE) en tant que matériaux pour la conception d'éléments de refroidissement/pompes à chaleur plans, flexibles, légères, modulables et économes en énergie. Ces éléments fonctionneront avec une différence de température de l'ordre de 20 à 30 °C et fourniront une puissance de refroidissement d'environ 100 mW/cm². Ils seront spécifiquement conçus pour pouvoir être déployés sur tout type de surface. Avec une épaisseur de seulement quelques millimètres, ces éléments de refroidissement seront les dispositifs de refroidissement les plus fins et les plus légers jamais réalisés à l'heure actuelle.
Pour atteindre la capacité de refroidissement visée, un compromis entre l'épaisseur, la dépendance aux pertes et la fréquence d'actionnement électrostatique est nécessaire. Pour un film de P(VDF-TrFE-CFE) d'une épaisseur comprise entre 10 et 20 µm, la fréquence doit être dans l'intervalle de 20 Hz à 80 Hz. La force électrostatique peut être modifiée par différents mécanismes agissant à l'interface du matériau, ce qui rend leur caractérisation complexe. En effet, la coexistence de phénomènes tels que les forces capillaires, les micro décharges, la conduction/injection de charges et les phénomènes triboélectriques représente un véritable défi pour identifier les phénomènes clés responsables des pertes et de l'hystérésis lors de l'actionnement. Comprendre finement le mécanisme d'actionnement nécessite une étude rigoureuse mêlant caractérisation expérimentale et modélisation numérique.
Le consortium constitué autour du projet CooT regroupe quatre laboratoires académiques (C2N, SATIE, SPMS et LCPO). Le sujet de thèse proposé vise à étudier les mécanismes impliqués dans l'actionnement électrostatique de films minces électrocaloriques (EC) à l'échelle macroscopique, à l'aide d'un banc de test dédié de pelage/traction, fortement instrumenté et automatisé, qui reste à mettre en place. Ce banc d'essai permettra d'obtenir une vision complète du système à travers les diagrammes mécaniques (force-déplacement, force-tension) et électriques (tension-charge), dans diverses conditions environnementales. En complément des mesures de capacité électrique, qui peuvent fournir des informations précieuses, nous proposons de réaliser des mesures optiques, un domaine dans lequel le C2N dispose d'une expertise reconnue (interférométrie et/ou caméra ultra-rapide pour étudier la dynamique complète du système).
Des phénomènes complexes apparaissent lorsque des matériaux diélectriques comme le PVDF sont soumis à des sollicitations mécaniques et/ou électriques externes. Ces phénomènes sont difficiles à prévoir, et nous proposons d'étudier expérimentalement différents revêtements organiques en film mince, tels que le PTFE (par polymérisation plasma), le parylène, les acrylates et le polyimide, avec un intérêt particulier pour ceux présentant une faible énergie de surface. Des films minces inorganiques comme l'AlN et la silice, déposés par ALD (Atomic Layer Deposition), seront également considérés. Il sera également nécessaire d'étudier la meilleure stratégie à employer afin d'assembler les films à tester sans contraintes résiduelles.
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The development of solid-state refrigeration has highlighted thin film electrocaloric (EC) materials as promising candidates due to their ability to enable the realization of ultra compact and efficient cooling systems. An EC film exhibits adiabatic temperature change when it is electrically polarized. There, this film is electrostatically actuated by zipping and is used as a heat conveyor through the thickness of the system bounded by the hot side and the cold side to be cooled. The main objective of CooT (Cooling Tile, ANR-AAPG 2025), is to make the case for EC polymers, P(VDF-TrFE-CFE), as cutting edge materials for designing flat, flexible, light, scalable, energy efficient, cooling/heat-pump tiles working over a temperature difference of the order of 20-30 °C with a cooling power of the order of 100 mW/cm². The cooling tiles will be specifically adapted to be deployed on any kind of surface. With a thickness of only a few millimeters, the cooling tile will be the thinnest and lightest cooling device produced so far.
To achieve the targeted surface cooling capacity, a trade-off between thickness, loss dependency and electrostatic actuation frequency is required. For a P(VDF-TrFE-CFE) film with a thickness of 10-20 µm the frequency must be in the 20 Hz-80 Hz interval. The electrostatic force can be modified by different mechanisms acting at the material interface making their characterization a difficult task. Indeed, the coexistence of multiphysic phenomena like capillary forces,, barrier discharges, charge conduction/injection and tribo-charge poses a real challenge to pin-down the key phenomena responsible for losses/hysteresis in electrostatic actuation. Unraveling the many facets of the actuation mechanism needs a strict coordination between detailed experimental characterization and numerical modeling.
The consortium formed around the CooT project consists of four academic laboratories (C2N, SATIE, SPMS, and LCPO). It is organized into three main areas of expertise: EC material synthesis and characterization, led by LCPO (University of Bordeaux) and SPMS (University Paris-Saclay); device design and modeling, led by SATIE (University Paris-Saclay); and film assembly and actuation characterization, led by C2N (University Paris-Saclay).
The proposed PhD topic aims to study the mechanisms involved in the electrostatic actuation of EC thin films at the macroscale by the way of a highly instrumented and automated dedicated peel/pull test bench to implement. This test bench will provide a full picture of the system in the mechanical (force-displacement, force-voltage) and the electrical (voltage-charge) diagram in various environment conditions. In addition to capacitance measurements that can carry out useful information, we propose to perform optical measurements domain in which the C2N has a large and recognized expertise (interferometry and/or high speed camera to study the full dynamic of the system).
Phenomena arise when dielectric materials such as PVDF are subjected to external mechanical and/or electrical stimuli. These are difficult to predict, and we propose to experimentally investigate various organic thin film coatings such as PTFE (plasma polymerization), parylene, acrylate, and polyimide, with particular interest in those that exhibit low surface energy. Inorganic thin films such as AlN and silica deposited by ALD (Atomic Layer Deposition) will also be considered. It will also be necessary to investigate the best strategy to use in order to assemble the films under test without residual stress.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Autre financement public

ANR

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

Le sujet de thèse proposé est très pluridisciplinaire et fait appel à des compétences dans plusieurs domaines techniques/scientifiques qui sont : • Connaissance des procédés en salle blanche, en particulier du dépôt de films minces (ALD, Parylène, etc.) • Caractérisation de films minces (MEB, ellipsométrie, etc.) • Instrumentation, mise en œuvre de capteurs/actionneurs • Programmation, pilotage d'instruments (langage Python) • Conception mécanique (une connaissance d'un logiciel CAO tel Solidworks est un plus) Même si le candidat n'est pas expert dans tous les domaines listés, une motivation à apprendre et à évoluer dans un environnement interdisciplinaire sera essentielle. Le doctorant devra faire preuve de rigueur, d'autonomie et d'un bon sens de l'expérimentation pour assurer le développement, la validation et l'exploitation du banc de mesure. Un étudiant titulaire d'un Master 2 (M2)/diplôme d'ingénieur en Micro/nanotechnologie, en Science des Matériaux, en Conception Mécanique ou en Génie Electrique (liste non exhaustive) devrait avoir les compétences nécessaires à cette étude.
The proposed PhD topic is highly multidisciplinary and calls for skills across several technical and scientific areas, including: • Knowledge of cleanroom processes and especially thin film coating (ALD, Parylen, etc) • Characterization of thin film (SEM, ellipsometry, etc.) • Instrumentation and implementation of sensors/actuators • Programming and instrument control (Python language) • Mechanical design (knowledge of a CAD software such as SolidWorks is an asset) While the candidate is not expected to be an expert in all the listed fields, motivation to learn and grow in an interdisciplinary environment will be essential. The PhD student must demonstrate rigor, autonomy, and good experimental skills to ensure the development, validation, and operation of the testing bench. A candidate holding a Master's degree (M2)/ Engineering degree in Micro/Nanotechnology, Materials Science, Mechanical Design, or Electrical Engineering (non-exhaustive list) should have the necessary skills for this study.