Modélisation du comportement d’élastomères dopés par des liquides ioniques pour des applications capteurs de déplacement & récupération d'énergie

Depuis une dizaine d’années, des laboratoires de l’INSA de Lyon (LGEF, ElyTMaX^a, IMP et MateIS) collaborent avec des laboratoires de l’Université de Tohoku (basés à Sendai au Japon) sur l’étude de polymères électro-actifs. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à des élastomères faiblement dopés par des liquides ioniques (sels à bas point de fusion). Ces matériaux recouverts d’électrodes peuvent se déformer sous l’action d’un champ électrique extérieur en flexion. L’origine de cette déformation est la diffusion et l’accumulation d’ions au voisinage des électrodes. De façon intéressante, après suppression de l’application du champ électrique, une couche résiduelle riche en anion est observée de manière stable. Nous avons aussi observé qu'après un tel traitement, imposer une déformation à ces matériaux engendre une différence de potentiel électrique sur leurs électrodes, ce qui correspond à la conversion d'énergie mécanique en énergie électrique.

L’objectif de la thèse est d’améliorer la compréhension du comportement de ce type de matériau et idéalement de prédire les performances d’autres matériaux non testés pour proposer des voies d’amélioration. Elle se déroulera sous la forme d’une collaboration franco-japonaise (18 mois en France et 18 mois au Japon) pour : 1) étudier expérimentalement le comportement électro-mécanique et l’évolution de la structure sous contrainte de ces nouveaux matériaux, 2) modéliser et simuler l'effet de champs de contrainte / déformation sur la concentration locale des charges ioniques, ce qui modifie les gradients de potentiel et donc le champ électrique local. Plus précisément, la diffusion mécaniquement activée des ions sera modélisée et simulée via un code d'éléments finis en utilisant des paramètres matériaux déterminés expérimentalement (coefficients de diffusion et permittivité diélectrique). Le rôle de la couche ionique et de sa structure devra être explicité et sa stabilité en fonction de la déformation imposée est probablement l'un des points clé de ce comportement. Les résultats obtenus pourront servir à proposer de nouveaux types de capteurs ou de matériaux pour la récupération d’énergie.

La thèse se déroulera dans un premier temps sur le campus de la Doua à Villeurbanne principalement au sein de deux laboratoires de l'INSA Lyon : le LGEF et ElytMaX^a avec la possibilité de collaborer avec deux autres laboratoires partenaires du projet spécialisés en sciences des matériaux (IMP et MateIS). Le/la candidat( e) ira ensuite à Sendai au Japon dans l’Université de Tohoku. Le candidat sélectionné par un jury de l’école doctorale de l’INSA de Lyon, percevra une bourse du ministère de l’enseignement supérieur de l’ordre de 1700€/mois (net). Ses déplacements France/Japon seront pris en charge. Par ailleurs, il/elle pourra éventuellement effectuer des heures d’enseignement en complément.(^a Le laboratoire ElyTMaX est une IRL (International Research Laboratory) dont une partie du laboratoire est basée à Lyon et l’autre à Sendai)

Nous cherchons un(e) candidat(e ) issu d’un master ou d’une école d’ingénieur avec une spécialisation en physique et/ou en sciences des matériaux. Idéalement, le candidat devrait avoir été initié à l’utilisation de méthodes d’éléments finis. De part le contexte particulier de la thèse, le/la candidat(e) devra également être mobile et avoir une bonne capacité d’adaptation. La langue parlée pendant la thèse sera l’anglais. (la connaissance du français et du japonais n’est pas requise)