Equations de conservation et lois de comportement d'un polymère électroactif - Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines Access content directly
Conference Papers Year : 2015

Conservation laws and constitutive equations for an electro-active polymer

Equations de conservation et lois de comportement d'un polymère électroactif

Joël Pouget
  • Function : Author
  • PersonId : 1006368

Abstract

Ionic electro-active polymer (Nafion for example) can be used as sensor or actuator. To this end, a thin film of the water-saturated material is sandwiched between two electrodes. Water saturation causes a quasi-complete dissociation of the polymer and the release of small cations. The application of an electric field across the thickness results in the bending of the strip. Conversely, a voltage can be detected between the two electrodes when the strip is bent. This phenomenon involves multiphysics couplings of electro-mechanical-chemical type. The system is modeled by a deformable porous medium in which flows an ionic solution and we use a continuous medium approach. Maxwell’s equations and conservation laws of mass, linear momentum and energy are first written at the microscopic scale for each phase and interfaces, then for the complete material using an average technique. Thermodynamics of linear irreversible processes provides the constitutive equations : a Kelvin-Voigt stress-strain relation, generalized Fourier’s and Darcy’s laws and a Nernst-Planck equation.
Un polymère électro-actif ionique (le Nafion par exemple) peut être utilisé comme capteur ou comme actionneur. Pour ce faire, on place une fine couche de ce matériau saturé d'eau entre deux électrodes. La saturation en eau entraîne une dissociation quasi complète du polymère et la libération de cations de petite taille. L'application d'un champ électrique perpendiculairement à la lame provoque la flexion de celle-ci. Inversement, le fléchissement de la lame fait apparaître une différence de potentiel entre les électrodes. Ce phénomène fait intervenir des couplages multiphysiques de type électro-mécano-chimiques. Nous avons modélisé ce système par un milieu poreux déformable dans lequel s'écoule une solution ionique et nous avons utilisé une approche "milieu continu". Les équations de Maxwell et de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie sont écrites d'abord à l'échelle microscopique pour chaque phase et pour les interfaces, puis pour le matériau complet grâce à une technique de moyenne. La thermodynamique des processus irréversibles linéaires nous permet d'en déduire les lois de comportement : une loi rhéologique de type Kelvin-Voigt, des lois de Fourier et de Darcy généralisées et une équation de type Nernst-Planck.
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hal-01545543 , version 1 (22-06-2017)

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Cite

Mireille Tixier, Joël Pouget. Equations de conservation et lois de comportement d'un polymère électroactif. XXIIème Congrès Français de Mécanique (CFM 2015), AFM, Association Française de Mécanique, Aug 2015, Lyon, France. ⟨hal-01545543⟩
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