Polymères électroactifs pour le chauffage et le refroidissement
Les convertisseurs de température parmi les matériaux électroactifs
Les polymères électroactifs réagissent aux forces, aux déformations et aux changements de température par des signaux électriques. Ils peuvent également se déformer ou changer de température sous l'effet d'une tension électrique. Les changements de température ciblés sont particulièrement intéressants pour les systèmes de chauffage et de refroidissement. Les polymères électrocaloriques en sont la clé. Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la recherche appliquée sur les polymères (IAP) développent des matériaux électrocaloriques et les transforment en composants fonctionnels. En tant que cœur d'un système global optimisé, ils constituent une base importante pour le développement futur de systèmes de chauffage et de refroidissement efficaces et compacts qui ne nécessitent pas de réfrigérants nocifs.
Les chercheurs du Fraunhofer IAP ont développé des films polymères électrocaloriques d'une épaisseur très faible de seulement quatre micromètres et les ont transformés en composants multicouches. À l'avenir, ils seront utilisés dans divers systèmes de chauffage et de refroidissement. Par exemple, dans les pompes à chaleur pour le contrôle de la température à l'intérieur des véhicules, les modules de batteries, les composants électroniques, les armoires de commande ou les systèmes laser. "Les faibles épaisseurs de couche sont cruciales pour faire fonctionner les systèmes électrocaloriques à des tensions bien inférieures à un kilovolt", explique Michael Wegener, directeur du département Capteurs et actionneurs du Fraunhofer IAP. Avec son équipe, il développe et améliore divers polymères électroactifs (EAP) pour une large gamme d'applications. Il s'agit notamment de capteurs et d'actionneurs électromécaniques pour la robotique douce et l'automatisation, de détecteurs de sons et de vibrations, de transducteurs ultrasoniques, de couches pyroélectriques pour les capteurs infrarouges et de matériaux électrocaloriques pour le chauffage et le refroidissement.
Polymères électrocaloriques : les convertisseurs de température parmi les matériaux électroactifs
Les polymères électrocaloriques réagissent aux variations de tension électrique par des variations de température : l'application soudaine d'un champ électrique entraîne une augmentation spécifique et soudaine de la température, qui est d'autant plus importante que la variation du champ électrique est grande. Ce phénomène est dû aux structures polaires du matériau, qui sont forcées par le champ électrique à s'aligner de manière ordonnée et qui libèrent de l'énergie. Inversement, elles absorbent à nouveau de l'énergie dès que le champ électrique est coupé. Le matériau se refroidit brusquement dans la même mesure. Pour l'utilisation technique des matériaux électrocaloriques dans les systèmes de chauffage et de refroidissement, ces processus doivent être répétés à des fréquences élevées et contrôlés de manière à ce que le chauffage et le refroidissement aient lieu dans des environnements différents. Ce n'est qu'alors que l'on peut créer une pompe à chaleur avec des zones chaudes et froides utilisables en permanence. Plusieurs propriétés du matériau sont cruciales pour une performance électrocalorique élevée, notamment un changement important de la polarisation électrique, une résistance diélectrique élevée, de faibles pertes thermiques et une bonne stabilité mécanique.
Développement de matériaux : Des solutions sur mesure pour les applications électrocaloriques
Les chercheurs du Fraunhofer IAP améliorent spécifiquement les propriétés des matériaux électrocaloriques et adaptent les composants développés à partir de ces matériaux à des applications individuelles. L'accent est mis sur les modifications chimiques et physiques des terpolymères PVDF et sur le développement de composants constitués de plusieurs couches de films minces de polymères électrocaloriques optimisés pour les changements de température les plus élevés possibles.
Technologie des couches minces de haute précision : La clé de l'efficacité
Les polymères électroactifs posent des exigences élevées en matière de traitement des couches minces et de construction de systèmes multicouches. L'homogénéité des films polymères et le maintien d'une résistance électrique élevée et des propriétés fonctionnelles souhaitées - dans ce cas, les grands changements de température - constituent des défis particuliers. "Tout d'abord, nous optimisons les matériaux par des modifications chimiques, des post-traitements thermiques ou radio-induits, ou l'ajout de charges. Nous développons ensuite des méthodes de fabrication spéciales, telles que les procédés de raclage, de revêtement ou d'impression, et nous optimisons les paramètres de fabrication pour produire des films minces présentant les propriétés souhaitées. Dans la dernière étape, nous nous concentrons sur l'optimisation d'autres processus, tels que l'étirement mécanique des films ou l'application de systèmes d'électrodes aux propriétés thermiques appropriées", explique M. Wegener, résumant les phases de développement des films polymères électrocaloriques.
Procédés d'empilage : Structures multicouches pour des applications de chauffage et de refroidissement efficaces
Un aspect essentiel est l'empilement de films individuels en structures multicouches, connues sous le nom de composants. L'empilement de plusieurs films avec des électrodes entre eux augmente la quantité de polymère électrocalorique qui interagit avec le champ électrique sans augmenter la tension de fonctionnement requise. Ce type de structure et l'utilisation de nombreux composants de ce type fournissent la masse thermique appropriée pour utiliser efficacement les polymères électrocaloriques dans les systèmes de chauffage et de refroidissement.
Electrocalorique : Une technologie innovante en point de mire
Les films et composants polymères électrocaloriques récemment développés sont le résultat du projet phare Fraunhofer "Pompes à chaleur électrocaloriques" (ElKaWe). Dans le cadre de ce projet, des chercheurs de six instituts Fraunhofer ont collaboré pour mettre au point des matériaux électrocaloriques innovants à base de polymères et de céramiques, ainsi qu'une électronique de commande très performante. Les pompes à chaleur basées sur des matériaux électrocaloriques ont le potentiel de devenir une solution plus écologique et plus efficace pour le chauffage et le refroidissement, en remplaçant les systèmes conventionnels qui utilisent des compresseurs et des réfrigérants nocifs pour le climat.
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