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N° ordre :
Habilitation à Diriger des Recherches
Ecole Doctorale Sciences Pour l’Ingénieur de l’Université de Lille
Textiles Intelligents – Approche Système
Cédric Cochrane
Présentée le 30 Novembre 2018 devant le jury composé de :
Prof. René Rossi Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
Rapporteur
Prof. Philippe Vanheeghe Ecole Centrale de Lille, Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille
Rapporteur
Prof. Alain Pruski Université de Lorraine, Laboratoire de Conception, Optimisation et Modélisation des Systèmes
Rapporteur
Prof. Ahmed Rachid Université de Picardie Jules Verne, Laboratoire des Technologies Innovantes
Rapporteur
Prof. Lieva Van Langenhove Université de Gent, Department of Materials, Textiles and Chemical Engineering
Examinateur
Prof. Mireille Bayart Université de Lille, Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille
Examinateur
Prof. Vladan Koncar Ecole Nationale Supérieure des Arts et Industries Textiles, Laboratoire GEMTEX
Garant
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Remerciements
Je remercie en premier lieu Vladan KONCAR avec qui je travaille depuis ma thèse de Doctorat. Il m’a
toujours supporté et j’ai pu développer avec son aide mes sujets de recherche. Ses conseils sont
toujours précieux et avisés.
J’adresse mes remerciements aux rapporteurs, Alain PRUSKI, Ahmed RACHID, René ROSSI, Philippe
VANHEEGHE et aux examinateurs, Mireille BAYART, Lieva VAN LANGENHOVE pour avoir accepté
d’évaluer ce travail.
Mes remerciements vont aux Post-Doctorants, Fern KELLY, Saad NAUMAN, Elena ONOFREI,
Doctorants, Amale ANKHILI, Abderrahmane FACI, Baptiste GARNIER, Ludivine MEUNIER, Yesim
OGUZ, Anaëlle TALBOURDET, Shahood Uz ZAMAN et étudiants en Master, que j’ai pu encadrer ou co-
encadrer pour leurs travaux de recherche et les résultats obtenus. Sans leurs contributions, cette
habilitation ne serait pas possible.
Je tiens à remercier mes collègues de l’ENSAIT et du GEMTEX, Enseignants, Enseignants-Chercheurs,
ingénieurs, techniciens, ouvriers et personnels administratifs pour leur investissement ou appui. J’ai
une pensée particulière pour Aurélie CAYLA et François RAULT qui ont à me supporter le plus au
quotidien. Mes remerciements vont également, entre autres, à Sabine CHLEBICKI, Manuela
FERREIRA, Stéphane GIRAUD, Guillaume LEMORT, Hubert OSTYN, Fabien SALAUN, Sébastien
THOMASSEY avec qui j’ai toujours plaisir à échanger.
Je n’oublie pas les partenaires, industriels ou académiques avec qui j’ai pu travailler, en particulier :
Jean-Jacques MARCADE (Centre d’essai en vol, DGA), Sophie PERRAUD (CNES), Serge MORDON
(INSERM, U1189), Carla HERTLEER (Ghent University, jusque 2017), Ludovic BURGNIES (IEMN, groupe
DOME), Christian COURTOIS (LMCPA, Université de Valenciennes), Dirk DE SAEDELEIR (Sommer
Needlepunch), Nadège BOUCARD (Texinov) et bien d’autres.
En plus des personnes citées ci-dessus, mon parcours a été ponctué de belles rencontres faites dans
les laboratoires, entreprises, conférences, qui m’ont donné et qui me donnent toujours envie de faire
ce métier. A l’heure de ce bilan, j’ai une pensée pour ces rencontres enrichissantes.
Enfin, j’adresse mon affection à toute ma famille, et particulièrement à ma femme et mes filles, pour
leur soutien et leur patience.
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Introduction
Ce mémoire synthétise l’essentiel de mes activités au sein de l’Ecole Nationale Supérieure des Arts et
Industries Textiles (ENSAIT) et de son laboratoire, le GEMTEX, depuis la préparation de ma thèse de
Doctorat. J’y suis arrivé en 2004 avec une formation orientée sciences des matériaux et je me suis
très vite positionné à l’interface des trois groupes de recherche du laboratoire GEMTEX (Matériaux
Textiles et Procédés ; Mécanique Textile Composite ; Design Centré sur l’Humain) pour axer mes
activités sur les Textiles Intelligents. Dans les années 2000 – 2005, cette thématique, et plus
particulièrement les e-textiles (textiles intégrants de l’électronique), se développe très fortement
dans tous les laboratoires et plus seulement dans les laboratoires textiles leaders tel que le GEMTEX.
La première des cinq parties de ce rapport est consacrée à une présentation résumée de mes
activités de recherche, d’enseignement et administratives. J’y synthétise dans le chapitre 3.1
(Résumé des thèmes de recherches, page 22), ma propre approche de la thématique Textiles
Intelligents qui représente le résultat de la rencontre entre une formation en Sciences des Matériaux
et le Textile rehaussé aux méthodes et procédés de l’Automatique. Le chapitre relatif aux activités
pédagogiques met en avant ma volonté d’expérimenter de nouvelles formes d’apprentissages
comme le e-learning ou les MOOC. Je participe également au renforcement du lien très fort, existant
à l’ENSAIT, entre l’enseignement et la recherche, tout en faisant évoluer les thématiques enseignées
en fonction de besoins de nos étudiants. Ainsi, en quelques années, d’un module de cours de
quelques heures consacrées aux capteurs textiles, nous sommes passés à une unité d’enseignement
(Domaine) de cours Textiles Intelligents représentant 60 H.
La deuxième partie de ce manuscrit récapitule mes travaux sur les actionneurs textiles au travers de
trois exemples. En premier lieu, j’expose la mise au point et l’étude d’enductions chauffantes (très en
lien avec les matériaux) et des travaux sur la faisabilité de textiles chauffants régulés par coefficient
de température positif (CTP). Un autre exemple traite de l’obtention de structures afficheurs
électrochromes textiles, au nombre de couches réduit, et des moyens que nous avons mis en œuvre
pour caractériser les changements de couleurs obtenus. Enfin, le dernier exemple expose le
développement, et l’optimisation, d’un tissu diffuseur de lumière pour la thérapie photo dynamique
(PDT) dont l’émission de lumière est seulement basée sur la mise en œuvre des fibres optiques par
tissage (dépassement de l’angle limite).
Mon activité principale de recherche est résumée dans la troisième partie et porte sur le
développement de capteurs mécaniques textiles. Les travaux sur ce thème ont débuté avec ma thèse
de doctorat sur la conception d’un capteur d’allongement pour voilure de parachute permettant de
monitorer le déploiement de la voile (pour la DGA). Suite à ce premier développement, nous avons
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amélioré et appliqué le savoir-faire obtenu à d’autres applications aéronautiques (pour le CNES),
mais aussi pour des applications composites en lien avec les activités du groupe de recherche MTC
du GEMTEX. Cette maitrise comprend différentes étapes, comme l’élaboration de matériaux
spécifiques, la mise en œuvre de capteurs et de la connectique, la caractérisation, le traitement des
données… Les travaux sur les structures composites nous ont permis de monitorer les renforts
textiles à différentes étapes de leurs utilisations comme pendant le tissage, lors de l’infusion ou lors
des tests finaux sur éprouvettes.
La quatrième partie est consacrée à la présentation de mes travaux sur la conversion d’énergie et le
transfert de données par les textiles. Ce sujet est lié à l’essor mondial de la thématique du
nomadisme (wearable technologies) et est traité depuis 2013 à l’ENSAIT. A propos de la récupération
d’énergie, nous avons pu investiguer l’utilisation de textiles réalisés à partir de polymères
piézoélectriques pour convertir de l’énergie mécanique et mettre en avant, notamment,
l’importance de la structure textile récupératrice. Dans ce même contexte, nous travaillons, en
partenariat avec l’IEMN, sur la fabrication d’antennes textiles pour la récupération d’énergie
électromagnétique perdue (WiFi). Ce même partenariat nous fait également collaborer sur la mise au
point de textiles permettant le transfert de données soit par du guidage d’onde de surface
(métamatériaux) soit par des antennes (NFC par exemple) pour des applications dans le domaine des
vêtements connectés (on-body communication).
La cinquième partie fait état des travaux amorcés, depuis environ un an, sur la fiabilisation et la
normalisation des systèmes textiles intelligents et occupera mon activité de recherche dans les
années à venir. Ce thème répond à un besoin croissant puisque même si les concepts e-textiles sont
prouvés par des prototypes et des démonstrateurs, les produits sont globalement absents du
marché. Un des principaux freins identifié est le manque de fiabilité dû à l’usage domestique et
notamment au lavage. Un premier chapitre prendra, en exemple, la fiabilisation d’une brassière pour
le monitoring ECG (développement conjoint avec une start-up). Nous y présenterons les matériaux
utilisés, leur comportement au lavage, et l’approche système en cours d’utilisation pour évaluer la
qualité des électrodes. Le second chapitre est consacré aux travaux débutés afin de comprendre
l’influence du lavage sur les interconnexions et comment nous travaillons à la proposition de tests
pour évaluer la fiabilité de composants e-textiles.
Ce mémoire peut se présenter comme complexe dans sa forme mais il rend compte avant tout de la
richesse de la thématique et des applications concernées par les textiles intelligents. Les quatre
thèmes de recherche résumés et exposés sont riches en informations et peuvent être perçus comme
trop détaillés. Néanmoins ces travaux étant multi domaines, et le fruit de nombreuses collaborations,
les détails apportés sont importants pour satisfaire le large public lecteur de ce manuscrit.
7
Sommaire
Remerciements ....................................................................................................................................... 3
Introduction ................................................................................................................................. 5
Sommaire ................................................................................................................................................ 7
Liste des figures ..................................................................................................................................... 11
Liste des tableaux .................................................................................................................................. 14
Liste des sigles et acronymes ................................................................................................................ 15
Première Partie – Présentation synthétique des activités de recherche, d’enseignement et
administratives .......................................................................................................................... 17
1 Curriculum Vitae ............................................................................................................................ 17
2 Récapitulatifs des activités administratives, pédagogiques et de recherche ............................... 19
3 Synthèse des activités de recherche ............................................................................................. 22
3.1 Résumé des thèmes de recherches ....................................................................................... 22
3.2 Encadrements ........................................................................................................................ 26
3.3 Collaborations et contrats de recherche ............................................................................... 30
3.4 Publications, communications et rayonnement ................................................................... 34
4 Synthèse des activités pédagogiques et encadrement d’étudiants .............................................. 43
4.1 Résumé des enseignements .................................................................................................. 43
4.2 Développement de nouveaux enseignements ...................................................................... 47
4.3 Formation continue ............................................................................................................... 49
4.4 Nouvelles méthodes d’apprentissages ................................................................................. 49
4.5 Encadrement pédagogique d’étudiants (Depuis 2012) ......................................................... 50
5 Synthèse des activités administratives et collectives.................................................................... 53
5.1 Participation aux instances .................................................................................................... 53
5.2 Participation aux activités de l’école ..................................................................................... 54
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Deuxième Partie – Travaux sur les actionneurs textiles ............................................................... 57
1 Introduction ................................................................................................................................... 57
2 Les textiles chauffants ................................................................................................................... 57
2.1 Introduction ........................................................................................................................... 57
2.2 Travaux sur les enductions chauffantes ................................................................................ 58
2.3 Travaux sur les textiles chauffants régulés par CTP .............................................................. 61
2.4 Conclusion ............................................................................................................................. 63
3 Les textiles électrochromes pour les textiles communicants ....................................................... 64
3.1 Introduction ........................................................................................................................... 64
3.2 Cellules électrochromes à base de PANI ............................................................................... 65
3.3 Cellules électrochromes à base de Polythiophène ............................................................... 66
3.4 Evaluation des changements de couleur des cellules électrochromes textiles .................... 68
3.5 Conclusion ............................................................................................................................. 71
4 Les textiles diffuseurs de lumière pour la thérapie photodynamique .......................................... 71
4.1 Introduction ........................................................................................................................... 71
4.2 Mise au point d’un textile diffuseur de lumière .................................................................... 72
4.3 Optimisation par les plans d’expériences de la puissance et de l’homogénéité de la lumière
émise par les textiles lumineux ......................................................................................................... 76
4.4 Conclusion ............................................................................................................................. 80
5 Synthèse ........................................................................................................................................ 81
Troisième Partie – Travaux sur les capteurs textiles ..................................................................... 83
1 Introduction ................................................................................................................................... 83
2 Revêtement de sol pour le monitoring des déplacements ........................................................... 83
2.1 Introduction ........................................................................................................................... 83
2.2 Conception du système ......................................................................................................... 84
2.3 Résultats ................................................................................................................................ 86
2.4 Conclusion ............................................................................................................................. 88
3 Les capteurs d’allongement pour tissu / film ................................................................................ 89
3.1 Introduction ........................................................................................................................... 89
3.2 Matériaux et mise en œuvre ................................................................................................. 90
3.3 Caractérisation des capteurs ................................................................................................. 99
9
3.4 Conclusion ........................................................................................................................... 111
4 Les capteurs filaires pour composite ........................................................................................... 112
4.1 Introduction ......................................................................................................................... 112
4.2 Monitoring du tissage.......................................................................................................... 112
4.3 Monitoring de l’infusion ...................................................................................................... 116
4.4 Monitoring de la pièce ........................................................................................................ 120
4.5 Conclusion ........................................................................................................................... 122
5 Synthèse ...................................................................................................................................... 123
Quatrième partie – Travaux sur la conversion d’énergie et le transfert de données par les textiles
................................................................................................................................................. 125
1 Introduction ................................................................................................................................. 125
2 Conversion d’énergie mécanique par un textile piézoélectrique ............................................... 125
2.1 Introduction ......................................................................................................................... 125
2.2 Obtention d’un matériau piézoélectrique........................................................................... 126
2.3 Structures textiles 100 % PVDF ........................................................................................... 128
2.4 Caractérisation des structures textiles piézoélectriques .................................................... 129
2.5 Conclusion ........................................................................................................................... 133
3 La conversion d’énergie électromagnétique par des antennes textiles ..................................... 134
3.1 Introduction ......................................................................................................................... 134
3.2 Optimisation des structures ................................................................................................ 135
3.3 Conclusion ........................................................................................................................... 139
4 Le transfert d’énergie et de données par des structures textiles ............................................... 140
4.1 Introduction ......................................................................................................................... 140
4.2 Travaux sur les métamatériaux textiles .............................................................................. 140
4.3 Travaux sur le NFC ............................................................................................................... 144
4.4 Conclusion ........................................................................................................................... 146
5 Synthèse ...................................................................................................................................... 146
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Cinquième partie – Travaux sur la fiabilisation, la durabilité et la normalisation des systèmes
textiles intelligents .................................................................................................................... 147
1 Introduction ................................................................................................................................. 147
2 Fiabilisation d’une brassière pour le monitoring cardiaque ....................................................... 148
2.1 Introduction ......................................................................................................................... 148
2.2 Structure de la brassière ..................................................................................................... 148
2.3 Présentation et évaluation des matériaux d’électrodes ..................................................... 150
2.4 Evaluation du système ECG ................................................................................................. 152
2.5 Conclusion ........................................................................................................................... 156
3 Lavage des systèmes textiles intelligents .................................................................................... 157
3.1 Introduction ......................................................................................................................... 157
3.2 Etude du procédé de lavage domestique ............................................................................ 157
3.3 Mise en place de tests ......................................................................................................... 159
3.4 Travaux sur la normalisation ............................................................................................... 160
3.5 Conclusion ........................................................................................................................... 161
4 Synthèse ...................................................................................................................................... 161
Conclusion générale et perspectives .......................................................................................... 163
Bibliographie ....................................................................................................................................... 166
11
Liste des figures
Figure 1 : Récapitulatif des activités administratives et collectives : participations aux instances et à d’autres activités de
l’ENSAIT depuis 2010. .................................................................................................................................................. 19
Figure 2 : Structure de l’élément chauffant [25]. ..................................................................................................................... 58
Figure 3 : Résistivité électrique de l’enduction en fonction du taux de charge [25]. ............................................................... 60
Figure 4 : Augmentation de la température des éléments chauffants en fonction de la puissance d’alimentation [25] ........ 60
Figure 5 : Image infrarouge d’un élément chauffant (60 wt.-% CB) sous 15 V de t=0 (a) à t=180 s (f) [25] ............................. 61
Figure 6 : Procédé de fabrication et configuration d’une enduction chauffante [108] ............................................................ 62
Figure 7 : Effet CTP des enductions paraffine / CB 20 et 25 wt.-% [108] .................................................................................. 63
Figure 8 : Température de surface de 3 éléments chauffants en 3 localisations, sous 12 V [108] ........................................... 63
Figure 9 : Structure 7 couches de base d’une structure électrochrome [110] ......................................................................... 64
Figure 10 : Structure 4 couches mise au point pour les cellules électrochromes à base de nontissé / PANI [115] .................. 65
Figure 11 : Cellule électrochrome à base de nontissé (viscose) / PANI. Vue de profil (a), avant (b) et après (c) application de
+3 V (1 minute) ............................................................................................................................................................ 66
Figure 12 : Changements de couleurs obtenus pour des cellules à base de polythiophènes [11] ........................................... 66
Figure 13 : Cellule électrochrome à base de thiophène tout textile (a), dans son état oxydé (b) et neutre (réduit) (c) .......... 68
Figure 14 : Spectrophotomètre et alimentation permettant le fonctionnement in-situ des cellules électrochromes [116] ... 68
Figure 15 : Notations dans l’espace CIE .................................................................................................................................... 69
Figure 16 : Coordonnées CIE L*a*b* d’une cellule à base de 2,2-BT neutre et oxydée [116] .................................................. 70
Figure 17 : Coordonnées CIE L*a*b* d’une cellule à base de 2,3-BT neutre et oxydée [116] .................................................. 70
Figure 18 : Illumination de la peau par un panneau de LED (Aktilite CL16)(a) et distribution des puissances (mW.cm-2) sur la
zone illuminée (7 x 5 cm) (b)[118] ............................................................................................................................... 72
Figure 19 : Causes de pertes de lumière dans une fibre guide de lumière .............................................................................. 73
Figure 20 : Mesures (fitted) de la puissance lumineuse sur les tissus Satin 4 (SW4), Satin 6 (SW6) et Satin 8 (SW8) [8] ........ 74
Figure 21 : Simulation de la puissance lumineuse émisse par les tissus Satin 4 (SW4), Satin 6 (SW6) et Satin 8 (SW8) avec de
la lumière injectée des deux côtés [8] ......................................................................................................................... 74
Figure 22 : Schéma simplifié de la composition du module textile diffuseur de lumière (largeur 21,5 cm) ............................ 75
Figure 23 : Module textile diffuseur de lumière [8] ................................................................................................................. 76
Figure 24 : (a) Configuration des ensouples pour le tissage des modules textiles diffuseurs de lumière sur machine
industrielle et (b) système de mise en tension des ensouples [118] ........................................................................... 76
Figure 25 : (a) Représentation du réseau de Doehlert dans l’espace expérimental et (b) tensions correspondant aux niveaux
codés [118] .................................................................................................................................................................. 78
Figure 26 : Graphiques d’adéquations entre les valeurs expérimentales et les valeurs renvoyées par les modèles pour P et H
[118] ............................................................................................................................................................................. 79
Figure 27 : Surfaces de réponse pour les modèles P et H en fonction des facteurs B et C (pour A = - 1) [118] ....................... 79
Figure 28 : Textiles diffuseurs de lumière (a) avant et (b) après optimisation par les plans d’expériences [118].................... 80
Figure 29 : Dispositif à base de textile diffuseur de lumière pour essais cliniques, (a) schéma de principe et (b) prototype
fonctionnel ................................................................................................................................................................... 81
Figure 30 : Structure du revêtement de sol [90] ..................................................................................................................... 84
Figure 31 : Distribution des capteurs sur le prototype de dalle [20] ....................................................................................... 85
Figure 32 : Organisation de l'analyse des données en 5 étapes [37] ....................................................................................... 85
Figure 33 : (a) positionnement de la masse sur la dalle (75 kg), (b) signal non filtré, (c) signal après élimination du bruit [90]
..................................................................................................................................................................................... 86
Figure 34 : Amplitude moyenne du signal en fonction des masses statiques [90] ................................................................... 86
Figure 35 : Evolution de la résistivité électrique d’un CPC en fonction de la concentration volumique de charge [134] ........ 91
Figure 36 : Résistivité électrique en fonction du taux de charge pour les CPC (EVO – CB) préparés en voie fondue (EVO/CB
M) et en voie solvant (EVO/CB S) [3] ........................................................................................................................... 93
Figure 37 : Propriétés et composition de la dispersion Clevios 105D (Heraeus) ..................................................................... 94
Figure 38 : Résistance électrique en fonction du taux de charge pour le CPC (Silicone - PEDOT:PSS) [19] ............................. 95
Figure 39 : Schéma de la table d’enduction développée.......................................................................................................... 96
Figure 40 : Nombre de capteurs fonctionnels (sur voilure de parachute) après pliage et 3 essais en vol successifs ............... 98
Figure 41 : Courbes force / allongement pour le support seul et le support avec dépôts de protection silicone [138] .......... 98
12
Figure 42 : Vues d’ensembles et schéma en coupe du capteur pour voilure de parachute [134] ........................................... 99
Figure 43 : Schéma du capteur sur (a) film LPDE et (b) films LDPE renforcés par des rubans de PET [19] ............................. 100
Figure 44 : Résistance électrique normalisée d’un capteur CPC (EVO – CB) sur toile de parachute en fonction de son
élongation (jusqu’à rupture de l’éprouvette) [3] ....................................................................................................... 101
Figure 45 : Résistance électrique normalisée de capteurs CPC (EVO – CB) sur toile de parachute en fonction de l’élongation
pour différentes vitesses de sollicitation [134] .......................................................................................................... 102
Figure 46 : Résistance électrique de 6 capteurs CPC (silicone – PEDOT :PSS) sur film en fonction de l’élongation [19] ....... 103
Figure 47 : Evolution de la résistance électrique relative des capteurs CPC (EVO – CB) sur tissu de polyamide 6.6, sur 170
jours et relevé de l’humidité relative [5] ................................................................................................................... 104
Figure 48 : Evolution de la résistance électrique relative des capteurs CPC (silicone – PEDOT:PSS) sur film LDPE, sur 85 jours
et relevé de l’humidité relative [143] ........................................................................................................................ 104
Figure 49 : Réponse de 2 capteurs CPC (EVO – CB) à un échelon d’humidité relative (atmosphère sèche à 98 %HR)[134] .. 105
Figure 50 : Résistance électrique relative des capteurs en fonction de l’humidité relative pour différentes températures [3]
................................................................................................................................................................................... 106
Figure 51 : Mesure en atmosphère sèche de la résistance électrique de capteurs sur la plage - 60°C / 120°C [134] ........... 107
Figure 52 : Vue d’ensemble de l’instrumentation d’un parachute [5] ................................................................................... 109
Figure 53 : Les trois phases de déploiement d’une voilure de parachute .............................................................................. 110
Figure 54 : Enregistrement de a) la résistance relative du capteur CPC (EVO – CB) placé sur la voilure de parachute et b) la
force mesurée au niveau du harnais par un capteur conventionnel, pendant l’ouverture du parachute [5]............ 110
Figure 55 : a) Deux capteurs d’allongement équipant b) un petit parachute hémisphérique pour c) un lâché d’une tour. d)
Enregistrement de l’allongement de la voilure pendant la descente et e) simulation l’état du parachute au même
moment. D’après [148], [149], [150]. ........................................................................................................................ 111
Figure 56 : Représentation 3D des éléments d’une machine à tisser Dornier en contact avec les fils de chaîne lors du tissage
................................................................................................................................................................................... 113
Figure 57 : Résistivité d’enduction CPC (PVA - PEDOT:PSS) en fonction du taux de PEDOT:PSS (solid content) [10] ............ 114
Figure 58 : Vue d’un capteur CPC (PVA - PEDOT:PSS) (partie noire) sur roving verre E 300 tex [152] ................................... 115
Figure 59 : Résistance relative et force en fonction de la déformation d’un roving de verre E 300 Tex équipé d’un capteur
CPC (PVA – PEDOT:PSS) [152] .................................................................................................................................... 115
Figure 60 : Mesure de la résistance relative d’un capteur CPC (PVA – PEDOT:PSS) sur fil situé dans une lisse en mouvement
dynamique vertical [152] ........................................................................................................................................... 116
Figure 61 : Variation de la résistance électrique normalisée en fonction de la longueur d’un fil PA/Ag recouverte de résine
époxyde [76] .............................................................................................................................................................. 117
Figure 62 : Dispositif expérimental utilisé pour tester le monitoring de l’infusion par des fils PA/Ag [80] ............................ 118
Figure 63 : Résistances relatives de 3 fils PA/Ag placés perpendiculairement au sens d’avancée de la résine [76] .............. 118
Figure 64 : (a) Images issues des vidéos montrant l’avancée du front de résine et (b) graphique montrant la trace du front
de résine à différents temps ...................................................................................................................................... 119
Figure 65 : Résistances relatives de 8 fils PA/Ag placés parallèlement au sens d’avancée de la résine ................................. 119
Figure 66 : Vue schématique de l’insertion des fils capteurs CPC (Latex – PEDOT:PSS) entre les couches tressées d’une
éprouvette [14] .......................................................................................................................................................... 121
Figure 67 : Vue de l’éprouvette équipée de capteur a) avant consolidation, b) après consolidation et c) profils de
température et de pression appliqués pour la consolidation [14]............................................................................. 121
Figure 68 : Résistance électrique d’un capteur CPC (Latex – PEDOT:PSS) sur roving de verre inséré dans une éprouvette
composite en fonction de son élongation ................................................................................................................. 122
Figure 69 : (A) Spectres FT-IR de multifilaments 100 % PVDF pour des étirages (λ) de 2 à 5 et (B) calculs des fractions
cristallines totales (Xc) et F (β) par DSC [79] .............................................................................................................. 127
Figure 70 : Evolution du taux de cristallinité (Xc) et du taux de phase β (F(β)) de multifilaments 100 % PVDF pour des
étirages de 2 à 6 [96] ................................................................................................................................................. 127
Figure 71 : Schéma 3D de l’interlock diagonal dans l’épaisseur [159] ................................................................................... 128
Figure 72 : Vue d’un échantillon textile placé entre les 2 électrodes de cuivre entre les plateaux du DMA pour une
sollicitation en compression [159] ............................................................................................................................. 130
Figure 73 : Tension de sortie des étoffes 100 % PVDF sollicitée en compression sous différents taux de compression (%) et
pré-charge (N) [159] .................................................................................................................................................. 130
Figure 74 : Tension de sortie lors de la sollicitation sous DMA (100 Hz, 4 % de déplacement, 5 N) d’un interlock 100 % PVDF
polarisé ou non [96] ................................................................................................................................................... 131
13
Figure 75 : Tension de sortie lors de la sollicitation sous DMA (100 Hz, 4 % de déplacement, 5 N) d’une toile 100 % PVDF
polarisée ou non [96] ................................................................................................................................................. 131
Figure 76 : Tension de sortie lors de la sollicitation sous DMA (100 Hz, 4 % de déplacement, 5 N) de deux toiles superposées
100 % PVDF polarisée [96] ......................................................................................................................................... 132
Figure 77 : Tension de sortie aux bornes des tricots 100 % PVDF réalisés avec des multifilaments étirés à λ = 1,25, 2, 3 et 4 ;
sollicités en compression (DMA, 73,5 Hz, 40 % de déplacement, 10 N de pré-charge) [159] ................................... 133
Figure 78 : Schéma et dimensions d’une antenne patch brodée [164] .................................................................................. 136
Figure 79 : Photos des antennes patch (a) S2 et (c) S4 et leurs diagrammes de rayonnements (b) (d) ................................. 137
Figure 80 : Schéma et dimensions d’une antenne bifilaire à résonateurs. (a) vue d’ensemble, (b) zoom sur l’un des
résonateurs (IEMN) .................................................................................................................................................... 138
Figure 81 : Photo d’une antenne bifilaire à résonateur brodé ............................................................................................... 139
Figure 82 : (a) Schéma d’ensemble du métamatériau tissé, (b) vue en coupe et (c) structure équivalente simulée (IEMN) [89]
................................................................................................................................................................................... 141
Figure 83 : Tissu métamatériau obtenu à partir de fils de cuivre et de fils diélectriques d’après Figure 82 [13] ................... 142
Figure 84 : Module et phase de la transmission à travers un tissu métamatériau (minimum, moyenne et maximum des
mesures) [81] ............................................................................................................................................................. 143
Figure 85 : Transmission simulée pour un métamatériau tissé avec pX = 0,55 mm et pY variable [81] .................................. 143
Figure 86 : Distribution des mesures des périodes pX et pY [81] ............................................................................................ 144
Figure 87 : Vue des 3 électrodes et du module électronique (factice) sur la brassière @Health ........................................... 149
Figure 88 : Evolution de la résistivité surfacique des tricots de différentes natures imprégnés de PEDOT:PSS en fonction du
nombre de lavage subi [77] ....................................................................................................................................... 151
Figure 89 : Circuit équivalent modèle de l’interface peau/électrode [99] ............................................................................. 153
Figure 90 : Mesures et modèles de la magnitude et de la phase pour l’électrode de référence Ag/AgCl [99] ...................... 154
Figure 91 : Mesures et modèles de la magnitude et de la phase pour l’électrode coton imprégnée de PEDOT:PSS [99] ..... 154
Figure 92 : Exemple d’ECG mesuré avec (a) un appareil médical portable (Colson CardiPocket 2) et (b) une carte SHIELD-
EKG-EMG (OLIMEX) connectée sur un Arduino connecté à des électrodes en coton imprégné de PEDOT:PSS ........ 156
Figure 93 : Evolution de la résistance relative de fil PA/Ag cousus après des cycles de a) lavages, b) abrasions (Martindale) et
c) pilling box ............................................................................................................................................................... 159
14
Liste des tableaux
Tableau 1 : Récapitulatif de la production scientifique et des encadrements depuis 2006 ................................. 20
Tableau 2 : Récapitulatif des enseignements effectués depuis 2005 ................................................................... 21
Tableau 3 : Détails des enseignements effectués durant la thèse (2004 – 2007)................................................. 43
Tableau 4 : Détail des enseignements effectués en ATER (2007 – 2009) ............................................................. 44
Tableau 5 : Détails des enseignements effectués sur la période 2009 – 2012 ..................................................... 44
Tableau 6 : Détails des enseignements effectués depuis 2012 ............................................................................ 45
Tableau 7 : Caractéristiques des individus du panel et données expérimentales [20] ......................................... 87
Tableau 8 : Comparaison de différents revêtements de sol intelligents [20] ....................................................... 88
Tableau 9 : Caractéristiques générales de l’Evoprene® 007 ................................................................................. 92
Tableau 10 : Caractéristiques du Printex ® L6 ....................................................................................................... 92
Tableau 11 : Paramètres r et p (Équation 10), et facteurs de jauge moyens en fonction de la vitesse de
sollicitation des capteurs [134] ................................................................................................................ 102
Tableau 12 : Force d’arrachement des fils de connexion des capteurs CPC – PEDOT:PSS [19] .......................... 108
Tableau 13 : Taux d’étirage et fraction en phase β des multifilaments 100 % PVDF .......................................... 133
Tableau 14 : Valeurs statistiques pour les périodes pX et pY [81] ....................................................................... 144
Tableau 15 : Pourcentages massiques de PEDOT:PSS absorbé par des tricots de différentes natures [22]....... 150
Tableau 16 : Résistivité surfacique des tricots de différentes natures imprégnés de PEDOT:PSS [22] .............. 151
Tableau 17 : Paramètres du modèle pour les électrodes Ag/AgCl et coton imprégné de PEDOT:PSS [99] ........ 155
Tableau 18 : Durées (mm:ss) des phases de différents cycles de lavages d’une machine Miele W3240 ........... 158
15
Liste des sigles et acronymes
A1 : 1ère année formation par apprentissage ENSAIT A2 : 2ème année formation par apprentissage ENSAIT A3 : 3ème année formation par apprentissage ENSAIT ACL : Article dans une revue internationale ou nationale avec comité de lecture répertoriée dans la base de données Web of Science ACLN : Article dans une revue internationale ou nationale avec comité de lecture non répertoriée dans la base de données Web of Science ACP : Analyse en Composantes Principales ACT : Communication avec acte dans un congrès international ou national AFF : Communication par affiche dans un congrès international ou national ANR : Agence Nationale de la Recherche ATER : Attaché Temporaire d'Enseignement et de Recherche ATG : Analyse thermogravimétrique BDE : Bureau Des Etudiants CB : Carbon Black (Noir de Carbone) CHS : Comité d'Hygiène et de Sécurité CIE L*C*h et CIE L*a*b*: Espace de couleur défini par la "Commission Internationale de l'Eclairage" en coordonnées polaires et cartésiennes CLG : Conseil du Laboratoire GEMTEX CNES : Centre National d'Etudes Spatiales CNU : Conseil National des Universités COM : Communication orale sans acte dans un congrès international ou national CPC : Conductive Polymer Composite (Composite Polymère Conducteur) CTP : Coefficient de Température Positif DEA : Diplôme d’Etudes Approfondies DEUG : Diplôme d’Etude Universitaires Générales DGA : Direction Générale de l'Armement DMA : Dynamic Mechanical Analysis (analyse mécanique dynamique) DOME : Dispositifs Opto- et Micro-Electroniques (Groupe de recherche de l'IEMN) DSC : Differential Scanning Calorimetry (Calorimétrie différentielle à balayage) E1 : 1ère année formation initiale ENSAIT E2 : 2ème année formation initiale ENSAIT E3 : 3ème année formation initiale ENSAIT ECG : Electrocardiogramme EDA : European Defence Agency (Agence de défense Européenne) EDOT : 3,4-Ethylenedioxythiophene, monomère du PEDOT EDS : Energy Dispersive Spectroscopy ENSAIT : Ecole Nationale Supérieure des Arts et industries Textiles, Roubaix ENSAV : Ecole Nationale Supérieure de Arts Visuels, Bruxelles, formation Bachelier Design Textile FBG : Fiber Bragg Grating (Réseau de Bragg sur fibre) FUN : France Université Numérique GEMTEX : Laboratoire Génie et Matériaux Textiles, ENSAIT, Roubaix HDR : Habilitation à Diriger les Recherches HEI : Ecole des hautes études d'ingénieur IEC : International Electrotechnical Commission INSERM : Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale IoT : Internet of things (Internet des objets) ITT : Ingénierie des Textiles Techniques (Une des deux options ENSAIT) LED : Light-emitting diode (Diode électroluminescente) LP : Licence Professionnelle LP T-IN : Licence Professionnelle Textiles Innovants (Université de Lille, ENSAIT), remplace la LP TUT depuis 2015
16
LP TUT : Licence Professionnelle Textiles à Usages Techniques (USTL, ENSAIT), remplacée par la LP T-IN depuis 2015 LRI : Liquid Resin Infusion (Infusion de résine liquide) MOOC : Massive Open Online Courses (cours en ligne ouverts et massifs) MS : Mastère Spécialisé MS CIM : Mastère Spécialisé Commerce et Innovation dans la Mode (IAE, IFM, ENSAIT), remplacé par le MS MIM depuis 2014 MS GSI : Mastère Génie des Systèmes Industriels (Chimie Lille, Centrale Lille, ULCO, ENSAIT) MS MIM : Mastère Spécialisé Management et Innovation dans la Mode (IAE, IFM, ENSAIT), remplace le MS CIM depuis 2014 MST : Maîtrise de Sciences et Techniques MTC : Mécanique, Textiles Composites (Groupe de recherche du GEMTEX) MTP : Matériaux Textiles et Procédés (Groupe de recherche du GEMTEX) NFC : Near Field Communication (Communication en champ proche) OS : Chapitre d'ouvrage PA/Ag : Polyamide/ Argent (notation générique utilisée pour désigner les fils en polyamide métallisés argent) PANI : polyaniline PCI : Polymère Conducteur Intrinsèque PDT : PhotoDynamic Therapy (Thérapie Photo Dynamique) PET-ITO : Désigne une feuille de PET (polyéthylène téréphtalate) sur laquelle il y a un dépôt d'ITO (Indium tin oxide) conducteur et souvent transparent PFE : Projet de Fin d'Etude ("Stage" niveau Master) PIAVE : Projet Industriel d'AVEnir PVDF : Polyfluorure de vinylidène (polymère piézoélectrique sous certaines conditions) RF : Radio Fréquence SBS : Styrène-Butadiène-Styrène (Elastomère thermoplastique) SHM : Structural Health Monitoring (Contrôle de santé des structures) TPE : Thermo Plastic Elastomer (Elastomère Thermoplastique) TPU : Thermoplastic PolyUrethane (polyuréthane thermoplastique) UIT : Union des Industries Textiles UV : Ultraviolet
17
Première Partie – Présentation synthétique des activités de
recherche, d’enseignement et administratives
1 Curriculum Vitae
COCHRANE Cédric
Date de naissance : 27 juin 1979
Fonction actuelle : Maître de Conférences (depuis 2012)
Etablissement d’affectation : ENSAIT (Roubaix), Laboratoire GEMTEX (EA 2461)
Bénéficiaire d’une PEDR depuis le 01/01/2017 (évaluation AAAA)
Situation familiale : Pacsé, 2 enfants
Adresse Professionnelle : ENSAIT, GEMTEX, 2, Allée Louise et Victor Champier, 59056 Roubaix, France
Adresse mail : [email protected]
Téléphone : +33 (0)3 20 25 64 62
Parcours académique
2007 Thèse en Sciences Pour l’Ingénieur, Université de Lille 1 (mention très honorable)
“ Création d’un capteur d’effort souple, compatible textile. Application aux parachutes”
Travaux menés à l’ENSAIT, en coopération avec la DGA (Centre d’Essais en Vol de Toulouse).
Cotutelle avec l’IEMN de Villeneuve d’Ascq.
Soutenue devant :
Prof. M. BAYART, Université des Sciences et Technologies de Lille (Président du jury)
Prof. J.F. FELLER, Université de Bretagne Sud (Rapporteur)
Prof. J.L. MIANE, ENSCPB (Rapporteur)
Prof. V. KONCAR, ENSAIT (Directeur de Thèse)
Dr. C. DUFOUR, IEMN (Co-Directeur de Thèse)
Prof. Y. CANDAU, Université Paris XII (Examinateur)
Dr. M. LEWANDOWSKI, ENSAIT (Examinateur)
E. POQUILLON, DGA (Examinateur)
Qualification dans les sections CNU 33 (Chimie des matériaux) et 63 (Génie électrique, électronique,
photonique et systèmes).
18
2003 Diplôme d’Etudes Approfondies (DEA) en sciences des matériaux, Université de Lille 1
(mention assez bien).
2002 Maîtrise de Sciences et Techniques (MST) en fabrication et utilisation des matériaux
nouveaux, Université de Valenciennes, antenne de Maubeuge.
2000 Diplôme d’Etude Universitaires Générales (DEUG) en science de la matière, Université du
Littoral, Côte d’Opale, antenne de Calais.
Parcours professionnel
Depuis 2012 Maitre de conférences à l’ENSAIT / GEMTEX.
o Recherche : Automatique - Instrumentation, Capteurs et Actionneurs Flexibles, Structures
intelligentes (Capteurs mécaniques, actionneurs visuels, structures pour récupération
d’énergie et fiabilisation des e-textiles).
o Enseignement : Textiles intelligents, métrologie textile, plans d’expériences, gestion des
projets étudiants.
2009 - 2012 Chargé de recherches (CDI) à l’ENSAIT / GEMTEX.
o Recherche : Faisabilité, développement, prototypage et caractérisation de textiles
intelligents dans le cadre de projets privés et collaboratifs. Automatique - Instrumentation,
Capteurs et Actionneurs Flexibles.
o Enseignement (vacations) : Textiles intelligents, gestion des projets étudiants.
2007 - 2008 ATER à l’ENSAIT / GEMTEX.
o Recherche : Mise en œuvre des composites polymères conducteurs (CPC) et leur emploi dans
le domaine des textiles intelligents. Automatique - Instrumentation, Capteurs Flexibles.
o Enseignement : Textiles intelligents, patronage de base, gestion des projets étudiants.
2004 - 2007 Doctorant au Laboratoire GEMTEX. Développement d’un système de mesure
d’allongement pour voilure de parachute. Collaboration avec la DGA (Toulouse) et l’IEMN.
Conception d’un capteur permettant d’évaluer l’allongement de la voilure d’un parachute pendant
son ouverture.
19
Activités administratives
2017 – présent
Membre élu du Conseil du Laboratoire GEMTEX
Membre du conseil pédagogique de l’ENSAIT
Responsable du Domaine d’enseignement Textiles Intelligents
2015 – présent
Co-responsable du Module projet Fil Rouge
2014 – présent
Référent MOOC de l’ENSAIT
2012 – présent
Membre titulaire élu du Conseil Scientifique de l’ENSAIT
Co-responsable du séminaire de découverte textile
2010 – 2012
Membre du Comité d’Hygiène et de Sécurité de l’ENSAIT
2 Récapitulatifs des activités administratives, pédagogiques et de recherche
La Figure 1 synthétise mes activités administratives selon, premièrement, mes participations aux
instances de l’ENSAIT (axe bleu) et, deuxièmement, à d’autres activités et responsabilités (axe
orange).
Figure 1 : Récapitulatif des activités administratives et collectives : participations aux instances et à d’autres activités de l’ENSAIT depuis 2010.
20
Le Tableau 1 récapitule, par année, mon activité en termes de production scientifique (articles et
communications) et d’encadrements (Post-Doc, Thèse et Master). Le détail des références est donné
à la fin de la première partie de ce rapport.
Tableau 1 : Récapitulatif de la production scientifique et des encadrements depuis 2006 (la liste des références est donnée au chapitre 3.4, page 34 et dans la bibliographie à la fin du rapport)
Années ACL
[1]–[24]
OS
[25]–[35]
ACLN
[36]–[39]
ACT
[40]–[87]
+ [88]
COM
[89]–[91]
AFF
[92]–
[104]
Post-
Doc Thèse Master
Ph
D. 2006 (1+) 1 1 5 1
2007 1 2 5 1 1
ATER 2008 1 1
Ch
argé
de
rech
erch
e 2009 1 1
2010 1 1
2011 2 1 2 2 1
Mai
tre
de
con
fére
nce
s
2012 1 1 6
2013 3 1 11 2
2014 1 1 + 1 INV 1
2015 3 1 3 2 1
2016 2 5 1 3 2 2
2017 4 1 7 2 2
2018 3 4 1 2
Total 24 11 4 49 3 13 4 3 + 3 en
cours 9
Le Tableau 2 synthétise, par année et par discipline, les heures d’enseignements données depuis
2006. Dans chaque case est renseigné le type de présentiel (CM, TD et/ou TP), le public (MS, E3, A3,
E2, A2, E1, A1 et/ou LP) et le nombre d’heures total équivalent TD.
21
Tableau 2 : Récapitulatif des enseignements effectués depuis 2005
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D.
2005-06 CM, TD, TP E3
22H
2006-07 CM, TD, TP E3, A3
75H
AT
ER 2007-08
CM, TD, TP E3, A3, LP
105H
CM MS
1H
CM, TD MS, E1, A1
39H
2008-09 CM, TD
MS, E3, A3, E2, LP 44H
Ch
argé
de
Rec
he
rch
e
2009-10 CM, TD MS, E3, A3, E2, LP
44H
2010-11 CM, TD MS, E3, A3, E2, LP
44H
2011-12 CM, TD MS, E3, A3, E2, LP
44H
Mai
tre
de
Co
nfé
ren
ces
2012-13 CM, TD MS, E3, A3, E2, LP
46H
CM, TD, TP E1, A1
59H
TP E2
48H
2013-14 CM, TD MS, E3, A3, E2, LP
42H
CM, TD, TP E1, A1
57H
TP E2, A2
54H
2014-15 CM, TD MS, E3, A3, E2, LP
44H
CM, TD, TP A1
13H
TP E2, A2, E1
159H
2015-16 CM, TD MS, E3, A3, E2, LP
53H
CM, TD, TP E2, A1
79H
TP A2, E1
36H
2016-17 CM, TD MS, E3, A3, LP
39H
CM, TD, TP E2
31H
TP A2, E1, A1
108H
2017-18 CM, TD MS, A3, LP
26H
CM, TD, TP E3
14H
CM, TD, TP E2, A2
63H
TD, TP E1, LP
60H CM : Cours Magistraux TD : Travaux Dirigés TP : Travaux pratiques MS : Mastère Spécialisé E1, E2, E3 : 1
ère, 2
ème et 3
ème année de formation classique
LP : Licence professionnelle A1, A2, A3 : 1ère
, 2ème
et 3ème
année de formation par apprentissage
22
3 Synthèse des activités de recherche
3.1 Résumé des thèmes de recherches
3.1.1 Introduction
Depuis mon arrivée à l’ENSAIT et ma thèse de doctorat, mon domaine de recherche concerne les
textiles intelligents. Ces textiles capables d’interactions grâce à leurs matériaux, structures, finitions
ou par l’implémentation d’éléments divers (mécaniques, électroniques et…) sont des systèmes
complexes. Une approche multi entrée est indispensable pour répondre aux différentes
problématiques liées au développement ou au transfert de concept. En m’appuyant sur ma
formation en sciences des matériaux et avec l’expérience acquise, je mets en œuvre une approche
couplée matériaux / structures / traitement - caractérisation pour mener à bien mes projets de
recherche et/ou apporter mon expertise dans l’encadrement d’étudiants dans un contexte
Universitaire et industriel mondial.
L’approche matériau permet, par exemple, d’adapter les propriétés de conduction d’un composite
pour en faire un capteur mécanique efficace dans une certaine gamme d’allongement. L’entrée
structure peut servir à atteindre des propriétés particulières comme émettre de la lumière
latéralement à partir d’une fibre optique. L’approche traitement - caractérisation renferme les
besoins en acquisition et en traitement du signal pour les capteurs et, par exemple, la modélisation
par les plans d’expériences qui permet également, par retour, l’optimisation des matériaux et des
structures.
Mes champs d’investigation et les textiles intelligents en général enrichissent, et vont enrichir dans le
futur, le vaste domaine de l’automatisme de par la variété des applications et des ouvertures futures
comme, par exemple, l’IoTextile (Internet des objets textiles).
3.1.2 Travaux sur les actionneurs textiles
Le premier thème de recherche présenté dans ce rapport porte sur les actionneurs textiles (page 57).
Les premières études rapportées traitent de l’homogénéisation de la température de textiles
chauffants à base de Composites Polymères Conducteurs (CPC). Ces travaux ont été menés en
collaboration avec le groupe de recherche Matériaux Textiles et Procédés (MTP) du GEMTEX. La
problématique a été favorablement traitée par l’emploi d’une structure d’électrodes en peigne et
d’une enduction chauffante en CPC ou par l’utilisation de CPC à effet Coefficient de Température
Positif (CTP).
Mes autres travaux ont permis le développement de deux types d’actionneurs visuels.
Premièrement, nous avons mis au point une cellule électrochrome solide textile à quatre couches et
mis en place des moyens de caractérisation, par spectrométrie, des écarts de couleurs. La couche
23
active de cette cellule est réalisée à partir de polymères conducteurs intrinsèques (ICP) et trouve des
applications dans la thématique des textiles communicants. Ce type d’afficheur est passif, sans
émission de lumière.
Le second développement s’est focalisé sur l’obtention de tissus diffuseurs de lumière homogène et
puissante à base de fibres optiques dont l’aboutissement est la réalisation d’essais cliniques dans le
cadre du traitement de certaines lésions (kératose actinique), potentiellement précancéreuses, par
thérapie photodynamique (PDT). L’émission de lumière est uniquement obtenue par le procédé de
tissage qui courbe localement les fibres optiques au-delà d’un certain angle limite.
Ce dernier sujet est le plus abouti car il s’est appuyé sur deux projets collaboratifs (ANR puis FP7) et
est le fruit d’une collaboration forte avec l’INSERM (1189 ONCO THAI1). D’autres applications (en
dehors du médical) sont à l’étude dans d’autres projets collaboratifs en phase de démarrage (fin
2018).
Les activités sur le développement d’actionneurs textiles ont été valorisées par 10 publications,
4 chapitres d’ouvrages et 18 conférences.
3.1.3 Travaux sur les capteurs textiles
Mon thème de recherche principal concerne les capteurs électromécaniques pour textiles ou
structures souples (page 83). Sur ce sujet, l’ENSAIT a des activités depuis les années 2000 incluant ma
thèse de Doctorat (2004 – 2007).
Le premier exemple rapporté concerne le développement d’un revêtement de sol, à bas coût,
capable de monitorer les déplacements d’individus. L’étude a été menée avec le souhait d’utiliser
des composants textiles et électroniques existants en vue d’une réalisation simple.
Les autres études ont permis de développer et de modéliser des capteurs électromécaniques souples
pour évaluer les déformations (i) de tissus ou de films et (ii) de fils. Ces capteurs développés sur
mesure pour chaque application sont mis en œuvre à partir de composites polymères conducteurs
(CPC) à base de noir de carbone, ou de polymères conducteurs intrinsèques (ICP) commerciaux
modifiés.
La mesure des déformations des tissus et des films a été développée dans le cadre de projets privés
(DGA et CNES) pour des applications aéronautiques ayant abouti à l’instrumentation in situ.
L’évaluation des déformations des fils trouve des applications dans le domaine composite avec par
exemple le monitoring du tissage de la préforme puis de son infusion. Les dispositifs mis en œuvre
permettent d’acquérir des données qui viennent nourrir les simulations ou entrent dans le cadre des
applications SHM (Structural Health Monitoring) des composites, après la filtration, traitement et
prise de décision. Pour ces applications composites, les capteurs sont développés en collaboration
avec le groupe Mécanique Textile Composite (MTC) du GEMTEX.
1 http://www.oncothai.fr/fr/, Septembre 2018
24
Le besoin en capteurs électromécaniques textiles est continu depuis de nombreuses années. Lors de
nos développements nous avons mis l’accent sur la finesse des capteurs (absence de modification de
la mesure, et du comportement du système, par sa présence) et non sur la simple implémentation
des textiles.
Nos futurs travaux sur les capteurs devraient s’orienter vers le SHM des composites pour des
applications liées au transport.
Ces activités ont été valorisées par 10 publications, 5 chapitres d’ouvrages, 14 conférences et
4 communications par affiches.
3.1.4 Travaux sur la conversion d’énergie et le transfert de données par les textiles
Des activités de recherches plus récentes se concentrent sur la conversion d’énergie et le transfert de
données par les textiles (Page 125). Nous avons lancé ce thème en 2014 au GEMTEX mais l’intérêt au
niveau mondial s’est développé depuis 2005-2010 porté notamment par le domaine des « wearable
technologies » et l’internet des objets (IoT). En effet, pour ces systèmes, la récupération d’énergie
peut permettre d’augmenter l’autonomie des dispositifs portables et/ou embarqués.
Mes travaux dans ce domaine suivent deux axes : (i) La récupération d’énergie mécanique par des
structures textiles piezoélectriques à base de fils en poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) et (ii) la
récupération d’énergie radiofréquence (RF) et particulièrement wifi, par l’intermédiaire d’antennes
textiles.
Les travaux sur la conversion d’énergie mécanique ont été menés en collaboration avec l’équipe
MTP, pour la partie réalisation des fils piézoélectriques, et se sont focalisés, pour ma part, sur la mise
au point d’outils de caractérisation électromécanique adaptés au textile. Nous avons ainsi pu
comparer l’efficacité de différentes structures textiles pour la conversion. Les énergies mises en jeu
sont faibles à ce stade mais des applications capteur sont à envisager à court terme dans de
prochains projets.
Les recherches menées sur la récupération d’énergie radiofréquence (wifi) par des antennes textiles
sont issues d’une collaboration forte avec l’IEMN (groupe DOME). Nous travaillons essentiellement
sur l’implémentation de textile par des antennes brodées, dont le design est défini conjointement
avec notre partenaire en tenant compte de simulations électromagnétiques et des caractéristiques
propres aux textiles et à sa mise en œuvre.
Les travaux sur le transfert de données sont également le fruit d’une collaboration forte avec l’IEMN.
Les activités engagées depuis 2014 nous ont permis de montrer la pertinence de la production par
des machines textiles de métastructures possédant des caractéristiques électromagnétiques
intéressantes pour le guidage d’ondes. Ces travaux sont complétés actuellement par d’autres sur
l’utilisation, entre autres, de la technologie NFC à antenne textile pour de la communication sans fil
entre un smart phone et un e-textile, ou entre deux e-textiles, par exemple.
25
Les activités sur la conversion d’énergie et le transfert de données par les textiles ont été valorisées
par 4 publications, 9 conférences et 4 communications par affiches.
3.1.5 Travaux sur la fiabilisation, la durabilité et la normalisation des systèmes textiles
intelligents
Les travaux les plus récents et qui seront développés dans le futur concernent la fiabilisation, la
durabilité et la normalisation des textiles intelligents. En effet, les concepts e-textiles créés en
laboratoire ou dans les start-up sont peu présents sur le marché dû à un manque de fiabilité ou à la
non-acceptabilité de la part du consommateur du fait de la mauvaise intégration des systèmes qui
sont équipés d’une protection surdimensionnée. Ainsi, de plus en plus de travaux sont entièrement
dédiés à cette problématique de « durabilité » particulièrement sensible dans le cas des e-textiles
habillement. En effet, ceux-ci subissent, en plus des usages normaux qui peuvent être sévères
(humidité, UV, fluides corporels etc…), les lavages industriels ou domestiques.
Dans ce contexte, compte tenu des multiples ressources du laboratoire et des connaissances
acquises dans d’autres projets, nos travaux portent, par exemple, sur la modification des matériaux
(solutions commerciales de polymères conducteurs intrinsèques (ICP)) pour en faire des électrodes
ECG avec une tenue aux lavages améliorée.
En plus de cette approche matériaux, pour aller plus loin et anticiper nos futurs besoins et
développements, nous avons (i) entrepris l’étude du lavage domestique que nous avons décomposé
et phasé et (ii) étudié l’effet de lavage sur un sous-système textile intelligent.
L’étude du procédé de lavage domestique nous a permis de recenser, puis de hiérarchiser les
contraintes auxquelles sont soumis les textiles. L’ensemble des données récoltées servira d’entrée
pour de futures modélisations et/ou propositions de tests équivalents.
Pour les travaux centrés sur le lavage des e-textiles, nous avons, pour l’instant, dirigé notre étude sur
des interconnexions obtenues par broderie. En effet, ce sous-système constitue une faiblesse bien
identifiée des textiles intelligents électroniques. Les premiers résultats ont permis la mise au point de
tests mécaniques, en laboratoire de métrologie, équivalents aux lavages en ce qui concerne
l’altération des propriétés de conduction électrique. Les autres contraintes identifiées lors du
procédé de lavage (eau, chimie, température, etc.) et leurs interactions seront intégrées à terme.
Ces travaux déboucheront sur la proposition de tests équivalents au lavage, si possible normés, dans
le but d’évaluer (ou de prévoir) la résistance au lavage domestique des e-textiles.
Les activités sur la fiabilisation, durabilité et la normalisation des systèmes textiles intelligents ont été
valorisées par 1 publication, 1 white paper et 3 conférences.
26
3.2 Encadrements
3.2.1 Stages Post-Doctoral
ONOFREI Elena (2014 – 2015)
Postdoctorat GEMTEX-HEI de novembre 2014 à septembre 2015. Sujet : « Caractérisation et
intégration d’un fluxmètre textile pour le monitoring des transferts de masse. Application aux tenues
de sapeur-pompier » Encadrement 50 % (Gautier BEDEK, 50 %). Etude financée par le programme
CrossTexNet (ERA-NET) « HYDRAX ». 2 publications associées au travail [15], [18].
KELLY Fern (2013 – 2014)
Postdoctorat GEMTEX de septembre 2013 à avril 2014. Sujet : « PEDOT/PSS sensors yarns for
structural health monitoring in thermoplastic composites ». Encadrement : 50 % (Vladan KONCAR,
PU, 50 %). Projet financé par le FP7, « MAPICC 3D ». 1 publication associée au travail sur ce projet
[13].
NAUMAN Saad (2013 – 2014)
Postdoctorat GEMTEX d’octobre 2013 à septembre 2014. Sujet : «développement d’un textile
diffusant la lumière pour le développement de photothérapie dynamique pour le traitement des
Kératoses actiniques en dermatologie ». Encadrement : 50 % (Vladan KONCAR, PU, 50 %). Projet
financé par l’ANR « FLEXITHERALIGHT ».
KELLY Fern (2011 – 2013)
Postdoctorat GEMTEX d’avril 2011 à août 3013. Sujet : « Utilisation de polymères conducteurs pour
la conception d’afficheurs électrochromes textiles flexibles ». Encadrement : 50 % (Vladan KONCAR,
PU, 50 %). Projet financé par le FUI « INTELLITEX ». 4 publications [6], [7], [10], [11], 1 chapitre
d’ouvrage [29] et 2 conférences [54], [56] associés au travail.
3.2.2 Thèses de Doctorat
MEUNIER Ludivine (2009 – 2012)
« Création et réalisation d’afficheurs électrochromes textiles flexibles »
Thèse de doctorat de l’Université de Lille 1 débutée le 1er octobre 2009 et soutenue le 29 octobre
2012. Financement programme FUI, « INTELLITEX ».
Directeur de thèse Pr. Vladan KONCAR (50 %), co-encadrant Cédric COCHRANE (50 %).
4 publications [6], [7], [10], [11] et 3 conférences [51], [54], [56] associées au travail.
27
OGUZ Yesim (2014 – 2017)
« Development of biophotonic device based on flexible light emitting textile dedicated to the
monitoring and treatment for dermatologic diseases and carcinoma »
Thèse de doctorat de l’Université de Lille 1 débutée le 15 février 2014 et soutenue le 4 avril 2017.
Financement ICT PSP, « PHOS-ISTOS ».
Directeur de thèse Pr. Vladan KONCAR (50 %), co-encadrant Cédric COCHRANE (50 %).
1 publication [17], 2 chapitres d’ouvrages [30], [35] et 4 conférences [71], [72], [74], [76] associées au
travail.
TALBOURDET Anaëlle (2015 – 2018)
« Structures textiles piézoélectriques à base de PVDF pour la conversion d'énergie mécanique en
énergie électrique » Thèse de doctorat de l’Université de Lille 1 débutée le 1er décembre 2015 et
soutenue le 22 novembre 2018. Financement projet PIAVE « AUTONOTEX ».
Directrice de thèse Pr. Christine CAMPAGNE (34 %), co-encadrant François RAULT (MCF, 33 %) et
Cédric COCHRANE (33 %).
1 publication [24], 6 conférences [77], [83], [86], [89]–[91] et 1 communication par affiche [99]
associés au travail.
FACI Abderrahmane (2016 – arrêt en 2018)
« Mesure in situ en temps réel de la diffusion des résines au sein des composites par les capteurs
intégrés au renfort »
Thèse de doctorat de l’Université de Lille 1 débutée le 15 février 2016. Bourse de l’Université de
Briska, Briska, Algérie. Arrêt de la thèse en mars 2018.
Directeur de thèse Pr. Vladan KONCAR (34 %), co-encadrant Peng WANG (MCF, 33 %) et Cédric
COCHRANE (33 %).
2 conférences [78], [81] associées au travail.
ANKHILI Amale (2016 – présent)
« Développement de textiles instrumentés intégrants des électrodes organiques de mesure de bio
potentiel et de bio impédance ».
Thèse de doctorat de l’Université de Lille 1 débutée le 1er juillet 2016 (soutenance prévue avant le 31
juillet 2019). Financement CIFRE (ANRT), société @health.
Directeur de thèse Pr. Vladan KONCAR (34 %), co-encadrant Xuyuan TAO (MCF, 33 %) et Cédric
COCHRANE (33 %).
1 publication [23] et 2 conférences [82], [84] associées au travail.
28
ZAMAN Shahood Uz (2017 – présent)
« Smart textiles and problems of connectivity and encapsulation of electronic devices in order to
make textronic systems reliable and washable »
Thèse de doctorat de l’Université de Lille 1 débutée le 18 septembre 2017 (soutenance prévue avant
le 30 septembre 2020). Bourse de la National Textile University (Faisalabad, Pakistan, Faculty
Development Program).
Directeur de thèse Pr. Vladan KONCAR (34 %), co-encadrant Xuyuan TAO (MCF, 33 %) et Cédric
COCHRANE (33 %).
1 white paper [105] et 1 conférence associées au travail [87].
GARNIER Baptiste (2017 – présent)
« Textiles connectés pour les communications autour du corps humain »
Thèse de doctorat de l’Université de Lille 1 débutée le 15 décembre 2017 (soutenance prévue avant
le 31 décembre 2020). Financement projet ANR « CONTEXT ».
Directeur de thèse Pr. Vladan KONCAR (34 %), co-encadrant François RAULT (MCF, 33 %) et Cédric
COCHRANE (33 %).
3.2.3 Master et Projets de fin d’étude ingénieur
BELLONCLE Julien (2006)
Projet de fin d’études ENSAIT de février à juillet 2006. Sujet : « Etude de l’influence des conditions
climatiques sur le comportement de capteurs textiles pour une application sur des parachutes ».
Encadrement 100 %. Projet financé par la DGA.
ZHANG Yi (2007)
Projet de fin d’études ENSAIT de février à juillet 2007. Sujet : « Mesure de la tension de surface d’un
noir de carbone, applications aux CPC ». Encadrement 100 %.
MAILLARD Jérôme (2011)
Projet de fin d’étude ENSAIT de février à septembre 2011. Sujet : « Mesure in situ des contraintes
mécaniques sur structure de raquette de tennis par des capteurs textiles ». Encadrement : 50 %.
Projet financé par COUSIN COMPOSITES.
EL-ZEIN Alexandra (2013)
Projet de fin d’étude ENSAIT de février à août 2013. Sujet : « Textile récupérateur d’énergie solaire
pour un dirigeable géostationnaire stratosphérique ». Encadrement : 50 % (Aurélie CAYLA, MCF, 50
%). Projet financé par EADS IW. 1 chapitre d’ouvrage [33] et 1 conférence [68] associé au travail.
29
NICOLLE Simon (2013)
Projet de fin d’étude ENSAIT de février à août 2013. Sujet : « Mise au point de jauges de déformation
pour l’enveloppe de ballons stratosphérique ouverts ». Encadrement : 100 %. Projet financé par le
CNES. 1 conférence [63] associée au travail.
GUILLOU Aurélien (2014)
Projet de fin d’étude ENSAIT de février à juillet 2014. Sujet : « Collage de textiles à cœur, par
polymérisation UV, applications aux pièces composites ». Encadrement : 80 % (Damien SOULAT, PU,
20 %). Projet financé par EADS IW.
AGRAWAL Tarun Kumar (2015)
Stage de Master Génie des Systèmes Industriels (GSI) de février à juin 2015. Sujet : « Analyse
statistique des données issues de dalles intelligentes pour la localisation et le suivi de personnes ».
Encadrement : 30 % (Sébastien THOMASSEY, MCF, 70 %). Etude financée par le programme
CrossTexNet (ERA-NET) « INTELDALLE ». 2 publications [20], [39], 1 conférence [75] et 1 affiche [98]
(1er Prix « The NIA 2015 poster award ») associées au travail.
HUPPE Camille (2016)
Projet de fin d’étude ENSAIT de février à juin 2016. Sujet : « Textiles innovants pour le guidage
d'ondes de surface (Métamatériaux) ». Encadrement : 33 % (Vladan KONCAR, HDR, 34 % ; François
RAULT, MCF, 33 %). Projet en collaboration avec l’IEMN de Lille. 1 conférence [79] et 2 affiches [101],
[102] associées au travail.
IMPINES Valentine (2016)
Projet de fin d’étude ENSAIT de février à juin 2016 (Master Dispositifs Médicaux et Biomatériaux :
Conception et Evaluation). Sujet : « conception-élaboration d'un dispositif médical d'aide au sommeil
par contrôle de la température du couchage ». Encadrement : 40 % (Fabien SALAUN, HDR, 30 % ;
Stéphane Giraud, MCF, 30 %). Projet en collaboration avec le CIC-IT de Lille.
30
3.3 Collaborations et contrats de recherche
3.3.1 Projets Européens
TRITEX, Programme Européen Interreg IV (Janvier 2009 – juin 2013)
Budget ENSAIT : 261 041 €.
Le programme TRITEX (Transfer of Research and Innovations in Textiles) s’inscrit dans la continuité
du programme « RESIST » (Réseau de Soutien à l’Innovation Scientifique et Technologique pour le
Textile) de l’Interreg III qui s’est achevé en 2007. TRITEX vise à développer une vraie collaboration
transfrontalière en matière de recherche avec, en plus de l’organisation de séminaires (2 par an), une
offre de formation à distance (sous forme e-learning) auprès des entreprises. Ce programme
regroupe 2 partenaires (Ghent University et l’ENSAIT). Mes tâches ont été de participer à l’animation
scientifique et à l’organisation du projet. J’ai été le principal auteur du Module 1 (80 %) et participer
à l’écriture du Module 2 (25 %) du e-learning à destination des entreprises pour la formation
continue (http://www.e-tritex.eu/). 2 conférences [57], [60] et 1 affiche [96] associées au travail.
MAPPIC 3D, Programme Européen - FP7 (Janvier 2012 – Décembre 2015)
Project ID 26315, call FP7-NMP-2010-LARGE-4, budget total : 9 077 524 €, budget ENSAIT : 955 200 €.
Ce programme Européen intitulé « One-shot Manufacturing on large scale of 3D up graded panels
and stiffeners for lightweight thermoplastic textile composite structures » (MAPPIC3D) est dédié au
développement de procédés de fabrications de pièces composites 3D permettant de passer sans
étape intermédiaire de la fibre à la pièce. Il regroupe 20 partenaires dont 6 académiques (ENSAIT,
coordinateur, l’Ecole des Mines de Douai, l’Ecole Polytechnique de Milan, l’Université de Dresde, la
Faculté de Zagreb, l’Université Technique de Riga) et 14 partenaires industriels (dont 7 PME). Mes
contributions, avec le stage post-doctoral de KELLY Fern, s’inscrivent dans le work-package liée à
l’instrumentation des préformes composites par des capteurs textiles. 2 publications [13], [21]et 1
chapitre d’ouvrage [32] associés au travail.
HYDRAX, Programme CrossTexNet - ERA-NET (Octobre 2012 – Octobre 2015)
Budget ENSAIT : 90 243 €.
Ce programme est dédié à l’intégration d’un textile détecteur de flux (transfert thermique et de
masse) pour détecter, monitorer et alerter dans les domaines des EPI, du sport et des géotextiles. Il
regroupe 8 partenaires dont 3 académiques (HEI, coordinateur, Ghent University et l’ENSAIT) et 5
partenaires industriels dont 4 PME. Mes tâches ont consisté à établir une interface textile-
électronique conforme au cahier des charges proposé par les industriels. Ce projet fait l’objet du
stage post-doctoral de ONOFREI Elena. 2 publications [15], [18] associés au travail.
INTELLDALLE, Programme CrossTexNet - ERA-NET (Juin 2013 – Juin 2015)
Budget total : 952 786 €, budget ENSAIT : 108 960 €.
Ce programme intitulé « Development of an intelligent carpet tile » est dédié au développement
d’une dalle capable de détecter la présence de personnes et de les compter. Il doit aboutir à la
31
définition des méthodes de production d’un tel dispositif. Ce programme repose sur 7 partenaires
dont 1 universitaire (ENSAIT) et 3 PME. Les applications visées sont principalement dans le domaine
de l’évènementiel. Mes contributions s’inscrivent dans le work-package lié au développement des
structures textiles capables de détecter la présence et de leurs interfaces avec les autres éléments
textiles et l’électronique. Ce projet fait l’objet du stage de Master de AGRAWAL Tarun Kumar.
2 publications [20], [39], 1 conférence [75] et 1 poster [98] associés au travail.
PHOS-ISTOS, Programme Européen - Integrated Project, FP7 (Novembre 2013 – Septembre 2018)
Project ID 621103, call CIP-ICT-PSP-2013-7, budget total : 4 780 000 €, budget GEMTEX : 197 100 €.
Ce programme intitulé « Development of biophotonic device based on flexible light emitting textile
dedicated to the monitoring and treatment for dermatologic diseases and carcinoma » est dédié à la
réalisation, et aux tests cliniques, d’un dispositif de traitement des cancers dermatologiques, par
thérapie photodynamique (PDT), basé sur un textile lumineux (actionneur). Ce textile, en contact
direct avec le patient, a en plus des capacités de mesure optique de fluorescence pour le monitoring
du traitement. Ce programme regroupe 13 partenaires dont 5 Universitaires (INSERM 1189 Onco
ThAI), coordinateur, Klinik für Dermatologie und Allergologie, Scuola Universitaria Professionale della
Svizzera Italiana, Centre hospitalier régional universitaire de Lille et l’ENSAIT), 7 industriels (dont 6
PME) et 1 association. Mes contributions s’inscrivent dans le work-package lié au développement des
structures textiles (pour le monitoring et pour le traitement) et de leur production pour les
partenaires et tests cliniques. La thèse de OGUZ Yesim est en support de ce projet. 1 publication [17],
2 chapitres d’ouvrage [30], [35] et 4 conférences [71], [72], [74], [76] associés au travail.
LUMINOPTEX, Projet Européen Interreg IV (Janvier 2017 – Décembre 2020)
Budget total : 2 127 000 €, budget GEMTEX : 366 000 €.
Cette collaboration a pour but la conception de nouveaux textiles intelligents pour l'éclairage
ambiant autonome. 3 fonctionnalités intégrées au textile sont visées : (i) la récupération d’énergie RF
et sa conversion en énergie électrique, (ii) le stockage de l’énergie produite et (iii) l’émission de
lumière par un dispositif OLED. Le projet regroupe 6 partenaires transfrontaliers (académiques et
centres techniques). Les tâches du GEMTEX concernent la réalisation des structures récupératrices
d’énergie RF et leur intégration au textile. Je suis référent scientifique de l’ENSAIT sur ce projet. 2
conférences [79], [80] et 2 affiches [101], [102] associées au travail.
TEXMODA, projet Européen Erasmus+ (Octobre 2017 – Octobre 2019)
Project ID 2017-1-LT01-KA203-035160, budget total : 266 851 €, budget ENSAIT : 40 713 €.
Le projet TEXMODA regroupe 8 partenaires dans le but est de développer un MOOC sur les
« Advanced Technologies for Textile and Fashion Industry ». Le public visé est large et va des
étudiants textiles aux employés de PME du secteur de l’habillement, de l’industrie textile et de la
mode. L’ENSAIT est responsable entre autre de la définition des contenus du cours établis à partir
des attentes exprimées par les futurs utilisateurs potentiels. Mes tâches consisteront à la mise au
point et à l’écriture du contenu, à sa médiatisation et au suivi des apprenants pendant les sessions du
MOOC (fin 2019).
32
3.3.2 Projets Nationaux
INTELLITEX, Programme FUI (Septembre 2009 – Août 2013)
Budget GEMTEX : 230 464 €.
INTELLITEX a pour objectif de permettre aux PME de concevoir, développer et produire des textiles
et vêtements intelligents via des technologies d’assemblage d’éléments. Le but principal du projet
est de développer, combiner et adapter différentes technologies pour produire de façon
automatisée, modulable et reproductible des textiles intelligents souples, bon marché, fiables et
performants. Ce programme regroupe 11 partenaires dont 1 académique (ENSAIT), 1 centre
technique (Institut Français du textile et de l'habillement, IFTH) et 9 PME. Mes contributions
s’inscrivent dans le développement et l’intégration d’afficheurs électrochromes flexibles (textile). Ce
projet fait l’objet de la thèse de MEUNIER Ludivine. 4 publications [6], [7], [10], [11], 1 chapitre
d’ouvrage [29] et 3 conférences [51], [54], [56] associés au travail.
NUMTISS, Programme ANR « NUMTISS » (Janvier 2010 – Janvier 2014)
Budget GEMTEX : 468 313 €.
Ce projet ANR intitulé « Modélisation numérique du procédé de tissage des renforts fibreux pour
matériaux composites », regroupe 2 partenaires industriels (SNECMA et TRP-Charvet) et 3
partenaires académiques (le Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Solides (LAMCOS), l’Ecole
des Mines de Douai, et l’ENSAIT qui est coordinateur de ce programme). Ce programme a pour
objectif de proposer un outil de simulation du procédé de tissage afin de garantir la qualité des
renforts tissés produits. Mes contributions s’inscrivent dans le cadre d’une des 2 thèses (TRIFIGNY
Nicolas) qui se déroulent à l’ENSAIT et plus spécifiquement sur la partie instrumentation des fils pour
le monitoring du tissage de préformes composites. 1 publication [9], 1 chapitre d’ouvrage [34] et 4
conférences [62], [65], [66], [70] associées au travail.
FLEXITHERALIGHT, Programme ANR (Novembre 2012 – Octobre 2014)
Budget GEMTEX : 85 980 €.
Le but du projet est le développement d’un textile diffusant la lumière pour le développement de
photothérapie dynamique pour le traitement des Kératoses actiniques en dermatologie. Ce
programme regroupe 5 partenaires dont 3 académiques (INSERM 1189 Onco ThAI), coordinateur,
Centre hospitalier régional universitaire de Lille et l’ENSAIT). Mes tâches sont liées au
développement des structures textiles diffusantes et de leur production pour les partenaires (pour
les tests cliniques). 2 publications [8], [12] et 9 conférences [38], [53], [55], [58], [59], [61], [64], [67],
[69] associées au travail.
TENERIF, Projet Emergent Région Nord pas de Calais (Octobre 2013 – Septembre 2015)
Budget GEMTEX : 67 210 €.
Projet visant au développement de fibres polymères tricomposantes piézoélectriques utilisables dans
la conception de textiles récupérateurs d’énergie. Collaboration Laboratoire des Matériaux
céramiques et procédés Associés (LMCPA, Maubeuge), Centre Européens des Textiles Innovants
(CETI, Tourcoing) et ENSAIT. 1 publication associée au travail [14].
33
AUTONOTEX, Projet PIAVE (Novembre 2015 – Novembre 2018)
Budget GEMTEX : 324 938 €.
L’ambition du projet est de mettre au point et d’industrialiser des vêtements de protection
individuelle et des draps médicaux réactifs et connectés. Il regroupe 13 partenaires dont 2
utilisateurs finaux et 5 académiques. Les tâches du GEMTEX sont : le développement de compounds
conducteurs ; la mise au point, par filage, de fils multi composants piézoélectriques ; le prototypage
de textiles récupérateurs d’énergie (utilisation de l’effet piézoélectrique). Mes tâches sont liées au
développement et à la caractérisation des structures textiles piézoélectriques. Ce projet supporte la
thèse de TALBOURDET Anaëlle. 1 publication [24], 6 conférences [77], [83], [86], [89]–[91] et 1
poster [99] associés au travail.
CONTEXT, Projet ANR - PRC (Décembre 2017 – Décembre 2020)
Budget total 1 242 500 €, budget GEMTEX : 363 000 €.
L'objectif du projet (CONected TEXTiles for body-centric communications) est de développer des
textiles intelligents intégrant des technologies radiofréquences (RF) et des composants pour les
communications sans fil autour du corps humain (WBAN). Deux problématiques seront étudiées : (i)
le transfert d'énergie en utilisant la technologie de communication en champ proche (NFC) à 13,56
MHz afin d'alimenter par exemple un capteur et (ii) la transmission des données dans la bande
Industrielle Scientifique et Médicale (ISM) à 2,4 GHz. En s'inspirant du domaine des métamatériaux,
le projet visera à utiliser le textile comme support de guidage d'ondes de surface. La collaboration
réunie 3 laboratoires (IEMN, GEMTEX, LEAT). Les tâches du GEMTEX concernent la réalisation des
structures métamatériaux textile. Je suis référent scientifique de l’ENSAIT sur ce projet. CONTEXT fait
l’objet de la thèse de GARNIER Baptiste.
3.3.3 Projets privés et contrats industriels
Ne sont listés dans cette partie que les projets privés et les contrats industriels menés après ma
nomination, en 2012.
CLARINS (2011 – 2013), budget du projet : confidentiel
Ce projet a consisté en la réalisation d’un textile diffuseur de lumière homogène pour des
applications cosmétiques. En rupture avec les textiles diffuseurs existants, la diffusion de lumière est
obtenue par dépassement ponctuel et contrôlé, par le tissage, de l’angle de courbure limite des
fibres optiques. Travaux en collaboration avec L’INSERM (1189 Onco ThAI). Ce projet privé a initié un
Programme ANR (FLEXITHERALIGHT) et un Programme Européen (Integrated Project, FP7, PHOS-
ISTOS). J’ai pu participer activement au montage technique de ces deux projets. 1 conférence
associée au travail [52].
34
CNES (2012 – 2015), budget du projet : confidentiel
J’ai collaboré avec le CNES pendant 3 ans sur la faisabilité et le développement de capteurs
d’allongements pour le monitoring de ballon stratosphérique ouvert (BSO). Le but était de mettre au
point des capteurs à base de PEDOT:PSS sur l’enveloppe très fine, constituée de film plastique, des
BSO. Nous avons travaillé sur le sourcing et la modification des matériaux, les modes opératoires de
réalisation des capteurs d’allongement, leur caractérisation et le transfert des technologies vers
l’utilisateur final. Ces travaux ont été menés via l’embauche d’ingénieurs d’étude. 1 publication [19]
associée au travail.
Pôle PICOM (2013 – 2014), budget du projet : 50 000 €
J’ai réalisé une étude pour le pôle de compétitivité PICOM sur la conception d’un revêtement de sol
de type moquette permettant de monitorer les déplacements de consommateurs. Ce projet privé a
débouché sur le projet CrossTexNet (ERA-NET) « INTELDALLE » au montage duquel j’ai participé.
EADS IW (2013), budget du projet : confidentiel
Dans le cadre de nos activités sur la récupération d’énergie, nous avons investigué avec EADS
Innovation Works (Airbus Group depuis) la faisabilité d’un textile récupérateur d’énergie solaire pour
un dirigeable géostationnaire stratosphérique. Le but était de quantifier la quantité de lumière
pouvant être récoltée par des textiles à base de fibre optique. Les résultats ont montrés que même si
les contraintes de masse surfacique étaient respectées pour l’application dirigeable, les rendements
n’excédaient pas 1,6 %. Ce projet privé a été mené avec un élève ingénieur en Projet de fin d’étude
ENSAIT. 1 chapitre d’ouvrage [33] et 1 conférence [68] associés au travail.
PSA (2014), budget du projet : confidentiel
Cette courte étude était centrée sur la faisabilité d’une nappe chauffante autorégulée par effet PTC
(Coefficient de Température Positif) pour des sièges de voiture. Ce projet privé nous a permis
d’embaucher un ingénieur d’étude débutant ENSAIT.
3.4 Publications, communications et rayonnement
3.4.1 ACL, 24 références
Liste des articles dans des revues internationales ou nationales avec comité de lecture répertoriés dans la base de données Web of Science2.
[1] L. Laude, C. Cochrane, C. Dicara, C. Dupas-Bruzek, and K. Kolev, “Excimer laser decomposition of silicone,” Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms, vol. 208, pp.
314–319, 2003. IF2005: 1,181
2 Science Citation Index Expanded, http://mjl.clarivate.com/publist_sciex.pdf, 2017
35
[2] C. Courtois, J. Crampon, P. Champagne, C. Cochrane, N. Texier, and A. Leriche, “STEM-X-EDS analysis of morphotropic PZT ceramics:: Analysis of Zr/Tiá+ áZr values fluctuation depending on microstructure
and synthesis route of powders,” Ceram. Int., vol. 32, no. 7, pp. 767–773, 2006. IF2006: 1,128
[3] C. Cochrane, V. Koncar, M. Lewandowski, and C. Dufour, “Design and development of a flexible strain sensor for textile structures based on a conductive polymer composite,” Sensors, vol. 7, no. 4, pp. 473–
492, 2007. IF2007: 1,573
[4] V. Koncar, C. Cochrane, M. Lewandowski, F. Boussu, and C. Dufour, “Electro-conductive sensors and heating elements based on conductive polymer composites,” Int. J. Cloth. Sci. Technol. 21, vol. 2, no. 3, pp. 82–92, 2009. IF2009: 0,491
[5] C. C. Cochrane, M. Lewandowski, A. V. Koncar, and V. Koncar, “A Flexible Strain Sensor Based on a Conductive Polymer Composite for in situ Measurement of Parachute Canopy Deformation,” Sensors, vol. 10, no. 9, pp. 8291–8303, 2010. IF2010: 1,771
[6] C. Cochrane, L. Meunier, F. M. Kelly, and V. Koncar, “Flexible displays for smart clothing : Part I — Overview,” Indian J. Fibre Text. Res., vol. 36, pp. 422–428, 2011. IF2013: 0,486
[7] L. Meunier, F. M. Kelly, C. Cochrane, and V. Koncar, “Flexible displays for smart clothing : Part II — Electrochromic displays,” Indian J. Fibre Text. Res., vol. 36, pp. 429–435, 2011. IF2013: 0,486
[8] C. Cochrane, S. R. Mordon, J. C. Lesage, and V. Koncar, “New design of textile light diffusers for photodynamic therapy,” Mater. Sci. Eng. C, vol. 33, no. 3, pp. 1170–1175, Apr. 2012. IF2012: 2,686
[9] N. Trifigny, F. M. Kelly, C. Cochrane, F. Boussu, V. Koncar, and D. Soulat, “PEDOT:PSS-Based Piezo-Resistive Sensors Applied to Reinforcement Glass Fibres for in Situ Measurement during the Composite Material Weaving Process,” Sensors, vol. 13, no. 8, pp. 10749–10764, 2013. IF2013: 1,953
[10] F. M. Kelly, L. Meunier, C. Cochrane, and V. Koncar, “Evaluation of Solid or Liquid Phase Conducting Polymers Within a Flexible Textile Electrochromic Device,” J. Disp. Technol., vol. 9, no. 8, pp. 626–631, 2013. IF2013: 1,663
[11] F. M. Kelly, L. Meunier, C. Cochrane, and V. Koncar, “Polyaniline: Application as solid state electrochromic in a flexible textile display,” Displays, vol. 34, no. 1, pp. 1–7, Jan. 2013. IF2013: 1,101
[12] S. R. Mordon, C. Cochrane, A. S. Vignion, N. Betrouni, L. Mortier, and V. Koncar, “Light Emitting Fabric Technologies for Photodynamic Therapy.,” Photodiagnosis Photodyn. Ther., vol. 12, no. 0, pp. 1–8, Dec. 2014. IF2014: 2,014
[13] J. Risicato, F. M. Kelly, D. Soulat, X. Legrand, W. Trümper, C. Cochrane, and V. Koncar, “A Complex Shaped Reinforced Thermoplastic Composite Part Made of Commingled Yarns With Integrated Sensor,” Appl. Compos. Mater., vol. 22, no. 1, pp. 81–98, 2015. IF2015: 1,153
[14] M. Boudriaux, F. Rault, C. Cochrane, G. Lemort, C. Campagne, E. Devaux, and C. Courtois, “Crystalline forms of PVDF fiber filled with clay components along processing steps,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 43244, pp. 1–11, 2015. IF2016: 1,866
[15] T.-C. Codau, E. Onofrei, G. Bedek, D. Dupont, and C. Cochrane, “Embedded textile heat flow sensor characterization and application,” Sensors Actuators A Phys., vol. 235, pp. 131–139, 2015. IF2015: 2,101
[16] L. Burgnies, C. Cochrane, F. Rault, V. Sadaune, É. Lheurette, V. Koncar, and D. Lippens, “Experimental phase-advance in woven textile metasurface,” Appl. Phys. Lett., vol. 107, 2015. IF2015: 3,142
[17] Y. Oguz, C. Cochrane, V. Koncar, and S. R. Mordon, “Doehlert experimental design applied to optimization of light emitting textile structures,” Opt. Fiber Technol., vol. 30, pp. 38–47, 2016. IF2016: 1,600
[18] E. Onofrei, T. Codau, G. Bedek, D. Dupont, and C. Cochrane, “Textile sensor for heat flow measurements,” Text. Res. J., vol. 87, no. 2, pp. 165–174, Jan. 2017. IF2017: 1,443
36
[19] A. El-Zein, C. Huppé, and C. Cochrane, “Development of a Flexible Strain Sensor Based on PEDOT:PSS for Thin Film Structures,” Sensors, vol. 17, no. 6, p. 1337, 2017. IF2017: 2,677
[20] T. K. Agrawal, S. Thomassey, C. Cochrane, G. Lemort, and V. Koncar, “Low-Cost Intelligent Carpet System for Footstep Detection,” IEEE Sens. J., vol. 17, no. 13, pp. 4239–4247, 2017. IF2017: 2,512
[21] A. M. Grancarić, I. Jerković, V. Koncar, C. Cochrane, F. M. Kelly, D. Soulat, and X. Legrand, “Conductive polymers for smart textile applications,” J. Ind. Text., Mar. 2017. IF2017: 1,750
[22] L. Burgnies, C. Huppe, G. Ducournau, C. Cochrane, F. Rault, V. Koncar, and E. Lheurette, “High-Pass Sub-mmWave Filtering by Woven Textile Metamaterials,” IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., vol. 8, no. 4, pp. 427–433, 2018. IF2017: 2,940
[23] A. Ankhili, X. Tao, C. Cochrane, D. Coulon, and V. Koncar, “Washable and reliable textile electrodes embedded into underwear for ECG monitoring,” Materials (Basel)., vol. 11,256, pp. 1–11, 2018. IF2017: 2,654
[24] A. Talbourdet, F. Rault, G. Lemort, C. Cochrane, E. Devaux, and C. Campagne, “3D Interlock design 100% PVDF piezoelectric to improve energy harvesting,” Smart Mater. Struct., vol. 27, no. 7, p. 75010, 2018. IF2017: 2,909
3.4.2 OS, 11 références
Listes des chapitres d’ouvrages.
[25] C. Cochrane, B. Kim, V. Koncar, and C. Dufour, “Multipurpose textile-based sensors,” in Intelligent Textiles and Clothing, Woodhead Publishing, 2006, pp. 1–28.
[26] F. Boussu, C. Cochrane, M. Lewandowski, and V. Koncar, “Smart textiles in automotive interiors,” in Textile advances in the automotive industry, Woodhead Publishing, 2008, pp. 172–197.
[27] I. Cristian, S. Nauman, C. Cochrane, and V. Koncar, “Electro-Conductive Sensors and Heating Elements Based on Conductive Polymer Composites in Woven Fabric Structures,” in Advances in Modern Woven Fabrics Technology, S. Vassiliadis, Ed. InTech, 2011.
[28] C. Cochrane and A. Cayla, “Polymer-based resistive sensors for smart textiles,” in Multidisciplinary know-how for smart-textiles developers, T. Kirstein, Ed. Cambridge, UK: Woodhead Publishing, 2013, pp. 129–153.
[29] F. M. Kelly and C. Cochrane, “Color-changing textiles and electrochromism,” in Handbook of Smart Textiles, X. Tao, Ed. Springer, 2015, pp. 859–889.
[30] Y. Oguz, C. Cochrane, S. R. Mordon, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Light emitting fabrics for photodynamic therapy,” in Advances in Smart Medical Textiles: Treatments and Health Monitoring, Woodhead P., L. Van Langenhove, Ed. 2016, pp. 177–193.
[31] C. Cochrane, C. Hertleer, and A. Schwarz-Pfeiffer, “Smart textiles in health: An overview,” in Smart Textiles and Their Applications, 1st Edition, V. Koncar, Ed. Woodhead Publishing, 2016, p. Chapter 2.
[32] X. Legrand, C. Cochrane, and V. Koncar, “A complex shaped-reinforced thermoplastic composite part made of commingled yarns with an integrated sensor,” in Smart Textiles and Their Applications, 1st Edition, V. Koncar, Ed. Woodhead Publishing, 2016, p. Chapter 16.
[33] A. El-Zein, A. Cayla, and C. Cochrane, “Lightguide fibres–based textile for solar energy collection and propagation,” in Smart Textiles and Their Applications, 1st Edition, V. Koncar, Ed. Woodhead Publishing, 2016, p. Chapter 21.
37
[34] F. Boussu, N. Trifigny, C. Cochrane, and V. Koncar, “Fibrous sensors to help the monitoring of weaving process,” in Smart Textiles and Their Applications, 1st Edition, V. Koncar, Ed. Woodhead Publishing, 2016, p. Chapter 17.
[35] Y. Oguz, V. Koncar, C. Cochrane, and S. R. Mordon, “Light Emitting Woven Fabric for Treatment with Photodynamic Therapy and Monitoring of Actinic Keratosis,” in Photomedicine - Advances in Clinical Practice, Y. Tanaka, Ed. InTech, 2017.
3.4.3 ACLN, 4 références
Liste des articles dans des revues internationales ou nationales avec comité de lecture non répertoriées dans la base de données Web of Science.
[36] C. Cochrane, V. Koncar, M. Lewandowski, and C. Dufour, “Design and development of a flexible strain sensor adapted to textiles based on a conductive polymer composite,” J. Inven., 2007.
[37] C. Cochrane, S. Humain, M. Lewandowski, and V. Koncar, “Study of a conductive polymer composite used as heating element for textiles,” Bul. Institutului Politech. Din Iasi Tomul LIII, no. Lvii, 2007.
[38] S. R. Mordon, C. Cochrane, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Flexible textile light diffuser for photodynamic therapy,” in American Society for Laser Medicine and Surgery Abstracts, 2012, vol. 44, no. S24, pp. 57–57.
[39] T. K. Agrawal, S. Thomassey, C. Cochrane, and V. Koncar, “Data Analysis and Statistical Interpolation of Signals for Human Footstep Tracking Using Intelligent Carpet,” J. Fash. Technol. Text. Eng., vol. s2, no. 007, 2016.
3.4.4 ACT, 48 références
Liste des communications avec actes dans un congrès international ou national.
[40] C. Cochrane, V. Koncar, M. Lewandowski, J. Belloncle, and C. Dufour, “Influence des conditions climatiques sur les capteurs textiles à base de matériau conducteur nano composite,” in Matériaux 2006, 2006.
[41] C. Cochrane, V. Koncar, C. Dufour, M. Lewandowski, and J. Belloncle, “Nano composite material sensors for textiles,” in International Conference Futurotextiles, 2006.
[42] C. Cochrane, V. Koncar, C. Dufour, and ..., “Nano composite material sensors for textiles,” in Autex 2006 World Textile conference, 2006, pp. 1–12.
[43] K. Widman, M. Peltola, C. Cochrane, B. Kim, and V. Koncar, “Conductive fibres obtained by carbon black nanoparticles coating,” in Polymer Fibers 2006 Conference, 2006.
[44] C. Cochrane, V. Koncar, and ..., “Création d’un capteur d'allongement souple, compatible textile,” in Matériaux 2006, 2006.
[45] M. Lewandowski, V. Koncar, C. Cochrane, and S. Humain, “Study of a conductive polymer composite used as a heating element for textiles,” in Cortep 2007, the XIIIth romanian textile and leather conference, 2007.
[46] F. Boussu, C. Cochrane, M. Lewandowski, C. Dufour, and V. Koncar, “Electro-conductive sensors and heating textile elements based on a carbon black conductive polymer composite,” in 3rd International Technical Textiles Congress, 2007, no. December.
38
[47] M. Lewandowski, V. Koncar, C. Cochrane, and S. Giraud, “Electro-conductive heating textiles elements based on a carbon black conductive polymer composite,” in ITMC 2007 International Conference, 2007.
[48] C. Cochrane, V. Koncar, C. Dufour, and M. Lewandowski, “Textile sensors based on nano composite conductive materials,” in 14th International Techtextil-Symposium for Technical Textiles, Nonwovens and Textile-Reinforced Materials, 2007.
[49] V. Koncar, F. Boussu, C. Cochrane, and M. Lewandowski, “Some applications of smart textile used in the future automotive interior,” in Agiltex Design, 2nd International Workshop, 2007.
[50] C. Cochrane, V. Koncar, and M. Lewandowski, “Development of a Flexible Strain Sensor for textile Structures,” in Ambience 08, 2008.
[51] L. Meunier, C. Cochrane, and V. Koncar, “A New Type of Colour Change in Smart Textiles,” in Ambience 2011, 2011.
[52] S. R. Mordon, C. Cochrane, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Innovative engineering design of a textile light diffuser for photodynamic therapy,” in Photodiagnosis and Photodynamic Therapy, 2011, vol. 8, no. 2, pp. 142–143.
[53] C. Cochrane, S. R. Mordon, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Textile light diffuser based on polymer optical fibres for photodynamic therapy,” in 12th World Textile Conference AUTEX, 2012, pp. 1635–1640.
[54] F. M. Kelly, L. Meunier, C. Cochrane, and V. Koncar, “A flexible electrochromic display using solid or liquid phase conducting polymers,” in 12th World Textile Conference AUTEX, 2012, pp. 1405–1410.
[55] S. R. Mordon, C. Cochrane, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Flexible Light Emitting Textiles for Photodynamic Therapy in Dermatology,” in Lasers Med Sci, 2012.
[56] L. Meunier, F. M. Kelly, C. Cochrane, and V. Koncar, “An electrochromic display for smart textiles,” in 12th World Textile Conference AUTEX, 2012, pp. 1423–1428.
[57] M. Rochery, C. Cochrane, C. Hertleer, and J. Louwagie, “New pedagogical approach: Implementation of a e-learning course on smart textiles,” in 12th World Textile Conference AUTEX, 2012, pp. 1331–1334.
[58] S. R. Mordon, C. Cochrane, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Les textiles lumineux pour une illumination homogène en thérapie photodynamique,” in GDR Photomed 2012, 2012.
[59] S. R. Mordon, C. Cochrane, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Light emitting fabrics for photodynamic therapy of skin and nail,” in 14th World Congress of The International Photodynamic Association, 2013.
[60] C. Hertleer, J. Louwagie, C. Cochrane, and M. M. Rochery, “An e-learning course on smart textiles enabled by TRITEX,” Conf. Proc. of" eLearning Softw. Educ., no. 03, pp. 334–337, 2013.
[61] M. Vouters, C. Cochrane, S. R. Mordon, J. C. Lesage, C. Magniez, and V. Koncar, “Light emitting fabrics for photodynamic therapy of skin,” in 13th annual Congress of the European Society for Photodynamic Therapy, 2013.
[62] N. Trifigny, F. M. Kelly, C. Cochrane, F. Boussu, and V. Koncar, “New PEDOT : PSS : NMP / PVA yarn sensors for in-situ measurements of glass fiber 3D interlock fabric during the weaving process,” in 4th ITMC International Conference, 8-11 october, 2013, 2013, pp. 3–9.
[63] S. Nicolle and C. Cochrane, “Polymer conductors used as piezoresistive sensors,” in 4th ITMC International Conference, 8-11 october, 2013, 2013, vol. 2062, no. 1995, pp. 3–4.
[64] S. R. Mordon, C. Cochrane, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Light Emitting Fabrics for Photodynamic Therapy of Actinic Keratosis,” in 3rd 5 Continent Congress, 2013, no. September, pp. 24–24.
[65] N. Trifigny, F. M. Kelly, C. Cochrane, F. Boussu, D. Soulat, and V. Koncar, “In-situ measurements of strain ans stress of E-glass warp yarn During the weaving of 3D warp interlock fabric using innovative sensors,” in Composites week @ Leuven and Texcomp-11 Conference, 2013, pp. 3–11.
39
[66] N. Trifigny, F. M. Kelly, C. Cochrane, F. Boussu, V. Koncar, and D. Soulat, “PEDOT:PSS sensors for in-situ measurement during the composite material weaving process,” in 13th AUTEX World Textile Conference, 2013, pp. 1–7.
[67] C. Cochrane, S. R. Mordon, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Light emitting fabrics based on polymer optical fibres for photodynamic therapy,” in 4th ITMC International Conference, 8-11 october, 2013, 2013, pp. 7–12.
[68] A. El-Zein, A. Cayla, and C. Cochrane, “Lightguide fibres based textile for solar energy collection and propagation,” in 4th ITMC International Conference, 8-11 october, 2013, 2013, pp. 3–4.
[69] S. R. Mordon, C. Cochrane, J. C. Lesage, and V. Koncar, “Light emitting fabrics for photodynamic therapy of skin,” in 31st annual conference of the BMLA, 2013.
[70] C. Florimond, G. Goncharova, J. Vilfayeau, N. Trifigny, E. Vidal-Salle, M. Deleglise, P. Boisse, M. Lequin, K. Thoral-Pierre, A. Batti, F. Charleux, M. Lefebvre, G. Perie, H. Ruffin, D. Crepin, V. Koncar, D. Soulat, C. Cochrane, and F. Boussu, “Numerical simulation chain applied to woven fabrics,” in 14th AUTEX World Textile Conference, 2014.
[71] Y. Oguz, C. Cochrane, S. R. Mordon, and V. Koncar, “Optimization of light emitting textiles woven with optical fibers for photodynamic therapy,” in VI. International Technical Textiles Congress, 2015.
[72] Y. Oguz, C. Cochrane, S. R. Mordon, and V. Koncar, “Optimal weaving of light emitting textiles with optical fibers for photodynamique therapy,” in 15th AUTEX World Textile Conference 2015, 2015.
[73] L. Burgnies, F. Rault, C. Cochrane, V. Sadaune, and É. Lheurette, “Absorption électromagnétique dans un tricot de fils métalliques,” in XIX èmes Journées Nationales Microondes, 2015, pp. 3–4.
[74] Y. Oguz, V. Koncar, C. Cochrane, and S. R. Mordon, “Influence of basics weaving patterns and tension on the lateral light diffusion of woven textile with polymeric optical fibers for photodynamic therapy,” in 16th AUTEX World Textile Conference 2016, 2016.
[75] T. K. Agrawal, S. Thomassey, C. Cochrane, G. Lemort, and V. Koncar, “Footstep-based human tracking using sensor-integrated nonwoven carpet,” in International Nonwovens Symposium 2016, 2016.
[76] Y. Oguz, C. Cochrane, V. Koncar, and S. R. Mordon, “Light Properties Improvement of Light Emitting Woven Textiles with Optical Fibres for Photodynamic Therapy,” in Proceedings of the 4th International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology, 2016, no. Photoptics, pp. 148–153.
[77] A. Talbourdet, F. Rault, A. Cayla, C. Cochrane, E. Devaux, A. Gonthier, G. Lemort, and C. Campagne, “Development of mono-component and tri-component fibers 100 % polymer based piezoelectric PVDF to harvest energy,” in Autex 2017 World Textile conference, 2017, vol. 254, no. 7.
[78] A. Faci, P. Wang, C. Cochrane, and V. Koncar, “Monitoring in situ in real time of resin infusion for thermoset composite structures,” in Autex 2017 World Textile conference, 2017, vol. 254, no. 14.
[79] C. Huppé, C. Cochrane, L. Burgnies, F. Rault, G. Ducournau, É. Lheurette, V. Koncar, and D. Lippens, “Woven metamaterials with an electromagnetic phase-advance for selective shielding,” in Autex 2017 World Textile conference, 2017, vol. 254, no. 3.
[80] L. Burgnies, C. Cochrane, F. Rault, É. Lheurette, G. Ducourneau, V. Koncar, and D. Lippens, “Métamatériaux Textiles Tissés et Tricotés,” in Colloque National Métamatériaux 2017, 2017.
[81] A. Faci, P. Wang, C. Cochrane, and V. Koncar, “Monitoring in situ in real time of resin infusion for infusion for composite structures with integration of sensors,” in ITMC 2017 International Conference, 2017.
[82] A. Ankhili, X. Tao, C. Cochrane, D. Coulon, and V. Koncar, “Washable and reliable textile electrodes embedded into underwear for ECG monitoring,” in ITMC 2017 International Conference, 2017.
40
[83] A. Talbourdet, F. Rault, C. Cochrane, G. Lemort, E. Devaux, A. Gonthier, A. Cayla, and C. Campagne, “Micro and macroscopic piezoelectric structure for Energy Harvesting based on PVDF Fibres,” in Fiber Society Conference Fall 2017, 2017.
[84] A. Ankhili, X. Tao, C. Cochrane, D. Coulon, and V. Koncar, “Study on the Measurement Method of Skin Textile Electrodes Contact Impedance,” in Autex 2018 World Textile conference, 2018.
[85] C. Cochrane, A. Cayla, and C. Santens, “New educational method of learning textile courses ‘Fil Rouge,’” in Autex 2018 World Textile conference, 2018.
[86] A. Talbourdet, C. Cochrane, F. Rault, G. Lemort, E. Devaux, A. Cayla, A. Gonthier, and C. Campagne, “2 strategies for the production of energy harvesting textile structures based on PVDF piezoelectric fibres,” in Functional Textiles and Clothing Conference, FTC, 2018.
[87] S. U. Zaman, X. Tao, C. Cochrane, and V. Koncar, “Market Readiness of Smart Textile Structures – Reliability and Washability,” in Aegean International Textile and Advanced Engineering Conference AΙTAE 2018, 2018.
3.4.5 INV, 1 référence
Liste des conférences données à l'invitation du comité d'organisation dans un congrès international.
[88] C. Cochrane, “Textile Sensors and Actuators,” in Textile International Forum and Exhibition 2014, 1st to 3rd October 2014, Taipei (Taïwan), 2014.
3.4.6 COM, 3 références
Liste des communications orales sans acte dans un congrès international ou national.
[89] A. Talbourdet, F. Rault, C. Cochrane, A. Cayla, G. Lemort, E. Devaux, A. Gonthier, and C. Campagne, “Piezoelectric melt spun mono or tri-component poly(vinylidene fluoride) fibres for energy scavenging,” in European Materials Research Society (E-MRS), 2017 Spring Meeting, 2017.
[90] A. Talbourdet, C. Campagne, F. Rault, C. Cochrane, A. Cayla, E. Devaux, and G. Lemort, “New piezoelectric fibers 100% polymer to harvest energy,” in Dornbirn Man-Made Fibres Congress 2017, 2017.
[91] A. Talbourdet, C. Cochrane, F. Rault, G. Lemort, E. Devaux, and C. Campagne, “Etude Raman in-situ sur pilote de filage en voie fondue,” in 24ème Journées du Groupe Français de Spectroscopie Vibrationnelle, 2018.
3.4.7 AFF, 13 références
Liste des communications par affiche dans un congrès international ou national.
[92] C. Cochrane, M. Lewandowski, V. Koncar, and C. Dufour, “Strain sensors for textiles based on nano composite conductive polymer materials,” in Autex 2007 World Textile conference, 2007, p. Poster.
[93] C. Cochrane, V. Koncar, and M. Lewandowski, “Effect of elongation rate on a textile strain sensor,” in ITMC 2009 International Conference, 2009, p. Poster.
[94] C. Cochrane, M. Lewandowski, and V. Koncar, “Capteur d ’ allongement pour textile à base de nanocomposite conducteur Matériaux et méthodes,” in Matériaux 2010, 2010, vol. d, p. Poster.
41
[95] C. Cochrane, F. Rault, S. Giraud, S. Chlebicki, C. Magniez, and D. Hong, “Thermal degradation and fire reaction of nonwoven fabrics treated by intumescent paper,” in 13th Fire Retardant Polymer Materials Conference, FRPM, 2011, p. Poster.
[96] M. Rochery, C. Cochrane, C. Hertleer, and J. Louwagie, “Nouvelle expérience transfrontalière de formation à distance : offre d ’ un module e-learning sur les textiles intelligents,” in XIII Congrès de la SFGP, 2011, p. Poster.
[97] L. Burgnies, F. Rault, C. Cochrane, V. Sadaune, and É. Lheurette, “Réfraction négative dans un tissage de fils métalliques,” XIX èmes Journées Nationales Microondes. 3-4-5 Juin 2015, Bordeaux (France), pp. 3–4, 2015.
[98] T. K. Agrawal, S. Thomassey, C. Cochrane, G. Lemort, and V. Koncar, “Intelligent Nonwoven Carpet for Human Footstep Tracking,” in International Nonwovens Symposium (EDANA), 2015.
[99] A. Talbourdet, G. Lemort, F. Rault, C. Cochrane, A. Cayla, E. Devaux, and C. Campagne, “New piezoelectric fibers 100% polymer to harvest energy or capture physiological information,” 9ème Journée des Doctorants 2016. Valenciennes (france), 2016.
[100] Y. Oguz, C. Cochrane, V. Koncar, and S. R. Mordon, “Optimisation des Textiles Lumineux Tissés avec des Fibres Optiques Plastique pour la Thérapie Photodynamique,” in Journée Régionale des doctorants en automatique, 2016.
[101] L. Burgnies, C. Huppé, C. Cochrane, F. Rault, G. Ducournau, É. Lheurette, and V. Koncar, “Loi des mélanges pour les tissages de fils diélectriques,” in XX èmes Journées Nationales Microondes, 2017.
[102] L. Burgnies, C. Huppé, G. Ducournau, C. Cochrane, F. Rault, É. Lheurette, and V. Koncar, “Homogénéité d’un tissu métamatériau caractérisé en bande submillimétrique,” in XX èmes Journées Nationales Microondes, 2017.
[103] A. Ferri, F. Rault, A. Da Costa, C. Cochrane, M. Boudriaux, G. Lemort, C. Campagne, E. Devaux, C. Courtois, R. Desfeux, L. Ea, and F.- Valenciennes, “Nanoscale piezoelectric measurements on single PVDF textile filament,” in Forum des Microscopies à Sonde Locale, 2018, p. Poster.
[104] L. Burgnies, C. Huppé, G. Ducournau, C. Cochrane, F. Rault, V. Koncar, and É. Lheurette, “Phase Advance in a Textile Metamaterial Operating in Sub-Millimeter Band,” in 12th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena – Metamaterials 2018, 2018, p. Poster.
3.4.8 Autres actions, rayonnement
Organizing committee
En 2013, 4ème conférence « Intelligent Textiles and Mass Customisation » (4th ITMC 2013), 9-11
octobre 2013, Lille Métropole, France.
Ce colloque organisé dans les locaux de l’ENSAIT comprend 4 conférences plénières scientifiques, 4
conférences plénières industrielles (EADS, AUDI, SIOEN et HONEYWELL) et environ 50 conférences
scientifiques pour 80 participants.
42
International Scientific Committee
Depuis 2013, membre du « International Scientific Committee » des conférences Intelligent Textiles
and Mass Customisation (ITMC), 3 éditions :
o 4th ITMC 2013, 9-11 octobre 2013, Lille Métropole, France ;
o 5th ITMC 2015, 4-6 novembre 2015, Casablanca & Marrakesh, Maroc ;
o 6th ITMC 2017, 16-18 october 2017, Ghent, Belgium.
Depuis 2017, membre du « International Scientific Committee » de la conférence Functional Textiles
& Clothing (FTC), 1 édition :
o 9 – 12 février 2018, New Delhi, Inde.
Expertises, évaluation
o Expert pour l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST),
Montréal (Québec). 1 expertise en 2017.
o Expert pour l'ANRT service CIFRE, Paris (France). 1 expertise en 2017
Prix, distinctions
o "Sensors Best Paper Award 2012", 3ème Prix dans la catégorie « Articles » pour [3], 2012
o "Best oral presentation" 1ère place pour [61], 2013
o "Highly cited research in Display" (2014-2016) pour [11], 2013
o "The NIA 2015 Poster award " pour [98], 2015
o "Top Editor-recommended articles of 2017" pour [18], 2017
Reviews d’articles scientifiques
Depuis 2010, j’effectue des revues d’articles scientifiques (25) pour des journaux des domaines :
o Des capteurs : Sensors (MDPI, 4 reviews), IEEE sensors (1 review) et Journal of sensors (1
review) ;
o Du textile : Textile Research Journal (11 reviews) et Journal of Fashion Technology & Textile
Engineering (1 review) ;
o Des matériaux : Materials Science and Engineering A (1 review), Materials Science and
Engineering C (1 review) et Materials & Design (1 review);
o Multidisciplinaires : Scientific Reports (1 review), Nanoscale (1 review), Invention (MDPI) (1
review) et Univ. of Mauritius Research Journal (1 review).
43
4 Synthèse des activités pédagogiques et encadrement d’étudiants
4.1 Résumé des enseignements
J’ai eu l’opportunité de débuter ma carrière d’enseignant pendant ma thèse de doctorat (2004-2007)
en effectuant des cours magistraux (CM) en vacations sur les capteurs. Suite à la thèse, les 18 mois
d’ATER (2008-2009) effectués à l’ENSAIT m’ont permis de découvrir des domaines d’enseignements
variés et de m’ouvrir à d’autres formations. Durant mon emploi de Chargé de Recherches, (2008-
2012) l’établissement m’a permis de continuer à partager avec les étudiants mes connaissances
acquises dans le domaine des Textiles Intelligents en me permettant de bâtir un module de cours
(CM et TD) dans ce thème. Depuis ma titularisation à l’ENSAIT en 2012, j’ai assuré des enseignements
en Métrologie Textile, Plans d’Expériences et Textiles Intelligents.
4.1.1 Enseignements effectués durant la Thèse (2004 – 2007)
Dès ma deuxième année de thèse (2005 – 2006), j’ai eu l’opportunité de créer et de dispenser, avec
une doctorante déjà en place, des Cours Magistraux (CM) et d’animer des séances de TD et TP dans
le domaine des Capteurs et de l’Instrumentation des Textiles à destination des élèves-ingénieurs en
3ème année (E3 et A3) de l’ENSAIT. L’objectif de ce cours est, dans une première partie, d’apporter
aux élèves ingénieurs les connaissances de base liées aux capteurs en général (sensibilité, étendue de
mesure…). La deuxième partie est basée sur une bibliographie relative aux dernières avancées dans
le domaine des « capteurs textiles » ou « capteurs pour structures textiles ». Cette dernière partie du
cours est en lien direct avec les travaux pratiques où l’évaluation des élèves est basée sur la
réalisation de mini-projets encadrés. A partir de 2006 – 2007, j’ai été seul sur ce module
d’enseignement.
Tableau 3 : Détails des enseignements effectués durant la thèse (2004 – 2007)
Années Niveau Enseignements CM TD TP
2006-2007 E3 Capteurs – Instrumentation des Textiles 6,7 44
2006-2007 A3 Capteurs – Instrumentation des Textiles 9,3 8 8
2005-2006 E3 Capteurs – Instrumentation des Textiles 9,3 5 8
4.1.2 Enseignements effectués en ATER (2007 – 2009)
Pendant mon poste d’ATER (18 mois), j’ai commencé à faire évoluer le module d’enseignement
Capteurs – Instrumentation des Textiles vers le thème plus général des « Smart Textiles ». Le but
étant d’apporter aux élèves ingénieurs une vision plus globale et pas seulement axée sur l’aspect
Capteurs. J’ai également diversifié son contenu pour l’adapter à différents publics (Master Spécialisé
44
Commerce et Innovation dans la Mode -MS CIM-, 3 Bachelier Design Textile à La Cambre -ENSAV-,
Licence Professionnelle Textile à Usage Technique -LP TUT-).
Mon poste d’ATER m’a également permis d’élargir mes domaines d’enseignements vers le textile en
dispensant des cours de Confection / Patronage de base à des étudiants de tous niveaux (Licence
Professionnelle Textile à Usage Technique -LP TUT- et 1ère année ENSAIT -E1- et -A1-).
Tableau 4 : Détail des enseignements effectués en ATER (2007 – 2009)
Années Niveau Enseignements CM TD TP
2008-2009 MS CIM Smart Textiles 8
E3 Smart Textiles 4 2
LP TUT Capteurs – Instrumentation des Textiles 10 6
ENSAV Innovation dans les textiles 10
2007-2008 MS CIM Confection / Patronage 9
MS CIM Innovation dans les textiles 1
E3 Capteurs – Instrumentation des Textiles 6,7 44
A3 Capteurs – Instrumentation des Textiles 9,3 8 8
E1 Confection / Patronage 24
A1 Confection / Patronage 6
LP TUT Capteurs – Instrumentation des Textiles 18 12
4.1.3 Enseignements effectués sur la période 2009 – 2012
Pendant le période où j’ai occupé un poste de Chargé de Recherche à l’ENSAIT, j’ai pu poursuivre la
mutation du module Capteurs – Instrumentation des Textiles vers un module Smart Textiles proposé
dans différentes versions adaptées à des publics variés.
Tableau 5 : Détails des enseignements effectués sur la période 2009 – 2012
Années Niveau Enseignements CM TD TP
2011-2012
/
2010-2011
/
2009-2010
MS GSI Smart Textiles 4
MS CIM Smart Textiles 8
E3 Smart Textiles 2,7
E2 Smart Textiles 4
A3 Smart Textiles 4 2
LP TUT Smart Textiles 8
ENSAV Smart Textiles 10
45
4.1.4 Enseignements effectués depuis 2012
Depuis ma titularisation en 2012, j’effectue, en plus de ce que je dispensais déjà en Smart Textiles,
des TP de Métrologie Textile en collaboration avec d’autres enseignants-chercheurs et j’enseigne en
totalité un module sur les plans d’expériences.
La période 2015 – 2018 a été marquée à l’ENSAIT par une réforme pédagogique qui m’a permis de
développer de nouveaux enseignements (voir chapitre 4.2, page 47) et qui a provoqué des
glissements de module d’enseignement entre des semestres. Cela explique la redondance, ou
l’absence, de certains modules d’enseignements sur une année Universitaire.
Tableau 6 : Détails des enseignements effectués depuis 2012
Années Niveau Enseignements CM TD TP
2017-2018 MS MIM Smart Textiles 8
A3 Smart Textiles 8
E3 Domaine textile Intelligent 5,5 2 6
E2 Plans d’expériences 10 12 21
A2 Plans d’expériences 10 4 6
E1 Métrologie Textile 42
LP T-IN Métrologie Textile 6 12
LP T-IN Smart Textiles 10
2016-2017 MS MIM Smart Textiles 8
A3 Smart Textiles 6 2
E3 Smart Textiles 4
E2 Plans d’expériences 8 8 15
A2 Métrologie Textile 24
E1 Métrologie Textile 72
A1 Métrologie Textile 12
LP T-IN Smart Textiles 9
ENSAV Smart Textiles 10
2015-2016 MS MIM Smart Textiles 8
A3 Smart Textiles 4 6
E3 Smart Textiles 10
E2 Smart Textiles 5
E2 Plans d’expériences 8 16 27
A2 Métrologie Textile 6
E1 Métrologie Textile 30
A1 Plans d’expériences 8 4 6
LP T-IN Smart Textiles 9
46
ENSAV Smart Textiles 10
2014-2015 MS MIM Smart Textiles 8
A3 Smart Textiles 4 2
E3 Smart Textiles 5 2
E2 Smart Textiles 5
E2 Métrologie Textile 48
A2 Métrologie Textile 6
E1 Métrologie Textile 105
A1 Plans d’expériences 6 4 3
LP TUT Smart Textiles 8
ENSAV Smart Textiles 10
2013-2014 MS MIM Smart Textiles 8
A3 Smart Textiles 4 2
E3 Smart Textiles 4,2 2
E2 Smart Textiles 5
A2 Métrologie Textile 9
E2 Métrologie Textile 45
A1 Plans d’expériences 6 4 3
E1 Plans d’expériences 8 12 24
LP TUT Smart Textiles 8
ENSAV Smart Textiles 10
2012-2013 MS GSI Smart Textiles 4
MS CIM Smart Textiles 8
E3 Smart Textiles 4,2 2
E2 Smart Textiles 4
A3 Smart Textiles 4 2
E2 Métrologie Textile 48
A1 Plans d’expériences 8 4 3
E1 Plans d’expériences 8 12 24
LP TUT Smart Textiles 8
ENSAV Smart Textiles 10
47
4.2 Développement de nouveaux enseignements
La période 2015 – 2018 a été marquée à l’ENSAIT par une réforme pédagogique ayant la volonté de
de former des ingénieurs plus polyvalents, autonomes et responsables et de les préparer aux métiers
et aux technologies de demain. J’ai participé activement à cette réforme par la création et la gestion
en 1ère année du Module Fil Rouge et du Domaine textiles Intelligents en 3ème année.
4.2.1 Le Fil Rouge
Trois objectifs majeurs sont ciblés par l’activité Fil Rouge : analyser des produits textiles de base,
organiser un travail d’équipe (gérer le travail et le restituer) et appréhender les bases de méthodes
pédagogiques nouvelles (Apprentissage par problèmes, APP). L’activité traite essentiellement le
besoin de transversalité en mettant en avant le lien existant entre tous les « enseignements textiles »
de base et la chaine de production du secteur textile.
Pour les étudiants, en groupe de 5 ou 6, cela consiste tout au long de l’année à analyser finement 4
produits textiles finis regroupés autour d’une thématique commune. Pour cela, le Fil Rouge s’appuie
sur tous les « enseignements textiles » de 1ère année ainsi que sur les enseignements d’ouverture
relatifs au savoir-être. Les étudiants fournissent tout au long de l’année des livrables (techniques ou
de communication) auxquels ils se sont engagés via la production d’une fiche de suivi des livrables
formalisée lors du lancement de l’activité réalisé en APP. Ce document, essentiel au suivi du travail
des étudiants, contient la liste des livrables, les dates de livraison, les noms des responsables, etc.
Tous les livrables sont consignés dans un classeur évalué périodiquement sur le fond et la forme.
Sur les 2 semestres, des évaluations régulières, sous des formes variées (vidéo, écrite, orale,
animation de stands…) qui concernent simultanément le fond et la forme, que ce soit
individuellement ou en groupe, sont réalisées. Les étudiants sont également impliqués dans leurs
propres évaluations (inter et intra groupe).
L’équipe pédagogique est constituée de deux référents techniques (dont je fais partie) et un référent
communication qui aident et guident les étudiants tout au long de l’année sur les aspects techniques
et d’organisation des livrables d’une part, et sur les aspects liés à la communication et l’organisation
du groupe, d’autre part. Afin que les étudiants acquièrent des outils d’organisation complémentaires
de gestion de projet, et dans un souci d’ouverture, ils doivent suivre et valider individuellement le
MOOC Gestion de projet (GdP) de Centrale Lille.
Depuis sa création en 2015, le module est en amélioration continue (ajustement de la taille des
groupes, des méthodes d’évaluation, …).
Cette activité sur le développement d’une nouvelle activité pédagogique a été valorisée par 1
conférence [85].
48
4.2.2 Des « Capteurs – Instrumentation des Textiles » vers le Domaine « Textiles
intelligents »
Les textiles intelligents ont émergé dans quelques laboratoires, dont le GEMTEX, au milieu des
années 90 et ont connus une explosion d’intérêt entre 2000 et 2005. Ainsi l’ENSAIT, via l’implication
de ses enseignants chercheurs a pu, dès l’émergence des savoirs qui composent cette thématique,
les transmettre aux futurs ingénieurs. Dans les années 2000, la thématique était trop émergeante
pour un référencement dans la maquette pédagogique ENSAIT. Ainsi, les premiers enseignements
que j’ai dispensés sur les textiles intelligents ont pris place dans un Module de cours plus large sur les
capteurs que j’ai rapidement rebaptisé « Capteurs – Instrumentation des Textiles » (2005).
Ce Module « Capteurs – Instrumentation des Textiles » étant trop restrictif et ayant la volonté de
faire découvrir l’étendue de la thématique « Textiles intelligents » aux étudiants, j’ai développé un
nouveau Module « Innovation dans les Textiles » de quelques heures à destination des E3 (Option
ITT) et de Master (2007). En 2007 et 2008, j’ai achevé la transition des Modules « Capteurs –
Instrumentation des Textiles » et « Innovation dans les Textiles » vers un Module unique « Smart
Textile ». Ce Module d’une dizaine d’heures a pour but de définir et positionner les Textiles
Intelligents, puis de passer en revue un certain nombre d’exemples de produits existants, envisagés
ou imaginés. Les concepts et les principes physico-chimiques de fonctionnement sont expliqués et
débattus avec les étudiants. Ce Module contient 2 grandes parties, l’une consacrée aux Matériaux
Textiles Intelligents (i.e. Matériaux ou structures intrinsèquement intelligent) et l’autre consacrée aux
Systèmes Textiles Intelligents (i.e. Textiles rendus intelligent par implémentation, souvent de
dispositifs électroniques). Au fil des années, le cours a été mis à jour et enrichi d’exemples et de
concepts nouveaux, mais le volume horaire ne permettait pas de répondre totalement aux attentes
des étudiants et des acteurs du monde économique. La réforme pédagogique menée à l’ENSAIT de
2015 à 2017 m’a permis, en coordination avec la direction des études, de créer un Domaine Textiles
Intelligents à destination des élèves ingénieurs de troisième année (E3), plus en accord avec les
besoins étudiants et des acteurs économiques (entreprises textiles, start-up et entreprises de
l’électronique). Les objectifs de ce domaine sont de : connaitre des bases dans les secteurs des
textiles intelligents, savoir positionner des technologies, des produits ou des applications ;
comprendre les phénomènes mis en jeu, les décrire, les caractériser, les utiliser ; concevoir un textile
avec une (des) fonctionnalité(s) avancée(s). Ce Domaine représente un volume de 60 Heures
équivalentes TD pour les étudiants, ce qui en fait une des premières formations en termes de volume
horaire en Europe. Ce volume est réparti en, environ, 50 % CM, 30 % Projet et 20 % TP. J’ai fait le
choix de le découper en 7 blocs d’enseignements (intervenants différents) qui sont : une introduction
aux Textiles Intelligents, La conduction électrique, les capteurs, les afficheurs, l’énergie, la
connectique et les smart materials/structures. Des travaux pratiques (TP) viennent illustrer les
notions abordées en CM. Les étudiants sont évalués par un projet de mise en application du Domaine
où ils doivent produire un démonstrateur sur un thème de leur choix. Le temps consacré au projet
(20 H) est un temps bloqué de tutorat en salle de TP où les étudiants sont acteurs de leurs
réalisations. Comme tout projet, un travail personnel en dehors des séances de l’emploi du temps est
49
demandé. Je dispense les CM d’introduction aux Textiles Intelligents, je gère les groupes de travail (5
à 6 groupes) et réalise la majeure partie des séances de Projet (« TP ») avec les étudiants.
4.3 Formation continue
L’ENSAIT propose de la formation continue en réponse à des besoins émanant directement
d’entreprises pour un public varié (techniciens, ingénieurs, designer, commerciaux…). J’ai ainsi pu
transmettre mon expertise dans le domaine des textiles intelligents au cours de deux modules de
formations pour la société 3M (2013) et Porcher Industries (2016). Dans les deux cas, le programme
du module est défini conjointement avec l’entreprise au préalable et s’articulait autour d’une partie
théorique et de nombreux exemples d’applications permettant d’illustrer les différents concepts.
4.4 Nouvelles méthodes d’apprentissages
Le Fil Rouge est une nouvelle méthode d’apprentissage à l’ENSAIT donnant du sens au travail des
étudiants et les rendant acteurs de leurs formations. En complément, je me suis investi dans des
méthodes d’apprentissage numérique (e-learning et MOOC) dont le but est de diffuser plus
largement des connaissances de base dans le domaine des textiles Intelligents.
4.4.1 Référent MOOC de l’ENSAIT
Depuis 2014, je suis référent MOOC de l’ENSAIT. Les référents MOOC des établissements
Universitaires ont pour tâche principale d’être le relai d’information du ministère auprès des
établissements. A ce titre nous recensons les initiatives MOOC au sein de nos établissements (MOOC
disponible, MOOC en cours de conception, projet de MOOC à l’étude), nous interagissons avec nos
directions sur ces sujets et nous inventorions les besoins de nos établissements (formation, moyens
humains et financiers, etc…).
Les référents MOOC et l’équipe FUN (France Université Numérique) sont chargés d’apporter un
appui aux enseignants ou aux équipes projet désireux de développer un MOOC.
4.4.2 E-learning sur les Textiles Intelligents (TRITEX)
Le projet TRITEX (Interreg IV) est basé sur la collaboration entre le département textile de
l’Université de Gand (Belgique) et l’ENSAIT. Il vise à la mise en commun de savoirs et de programmes
de recherche portant sur l’innovation. Un des axes principaux de ce programme est la réalisation
commune d’une e-formation sur les « textiles intelligents » à destination des étudiants des 2
établissements et des industriels via la « formation tout au long de la vie ».
Ce e-learning, disponible en anglais et en français, est composé de 2 modules : M1-Matériaux
Textiles Fonctionnels et Intelligents (2 parties) et M2-Systèmes Textiles Intelligents représentant un
volume d’une vingtaine d’heures pour l’apprenant. Le Module 1 fait le point sur des notions comme
50
la conduction électrique dans les textiles, l’utilisation des fibres optiques dans les textiles intelligents,
la micro-encapsulation, la photoluminescence, les textiles biomimétiques, les matériaux à
changement de phase, la piézoélectricité etc. Tandis que le Module 2 traite des électrodes et des
capteurs, des actionneurs, de la production d’énergie, des interconnexions et des systèmes de
communication de données. L’objectif est de permettre aux participants de découvrir l’étendue de la
thématique « Textiles intelligents » par la description des concepts physiques et chimiques mis en jeu
dans ces textiles.
J’ai été le principal artisan pour la définition du contenu des Modules de cours et j’ai écrit 80 % du
Module 1 et participé à la rédaction du Module 2 pour environ 25 %. Cette écriture s’est
accompagnée du suivi de la médiatisation effectuée par le Service Enseignement et Multimédia
(SEMM) de l’Université de Lille 1 et appuyée par l’UNIT.
Ce cours est suivi depuis 2012 par les étudiants du semestre international (2ème année) de l’ENSAIT.
Le Module 1 du cours est disponible en libre accès sur le site de l’UNIT (Cours INNOV’TEX).
Ces Modules de cours en e-learning ont été présentés lors de 2 conférences [57], [60] et par une 1
affiche [96].
4.4.3 MOOC “Advanced Technologies for Textile and Fashion Industry” (Texmoda)
TEXMODA est un projet Européen Erasmus+ (2017-1-LT01-KA203-035160) débuté en novembre 2017
pour une durée de 25 mois et un budget de 267 000 €. Il regroupe 8 partenaires et le but est de
développer un MOOC sur les “Advanced Technologies for Textile and Fashion Industry”. Le public visé
est large et va des étudiants textiles aux employés de PME du secteur de l’habillement, de l’industrie
textile et de la mode.
L’ENSAIT est responsable du lot 2 qui consiste en la définition des contenus du cours établis à partir
des attentes exprimées via des sondages, par les futurs utilisateurs potentiels. Nous veillerons à ce
que ces contenus soient également en accord avec les avancées du monde de la recherche et du
développement des textiles intelligents.
Avec tous les partenaires du projet et mes deux collègues de l’ENSAIT participant à ce projet, je serai
très impliqué dans la mise au point et l’écriture du contenu, sa médiatisation et le suivi des
apprenants pendant les sessions du MOOC (fin 2019).
Ce MOOC est la possibilité pour l’ENSAIT d’augmenter son rayonnement européen et international
dans le domaine des Textiles Intelligents.
4.5 Encadrement pédagogique d’étudiants (Depuis 2012)
Nos missions d’enseignant-chercheur donnent l’opportunité d’encadrer pédagogiquement des
étudiants durant leurs stages de 1ère année (ouvrier / technicien, minimum de 8 semaines), 2ème
année (Assistant ingénieur, minimum de 12 semaines) et de Projet de Fin d’Etude (PFE, minimum de
51
18 semaines). Mes actions sont de veiller au respect du cahier des charges des stages et du PFE établi
par les différents responsables pédagogiques et à faire acquérir les bonnes méthodologies de travail,
surtout en ce qui concerne la rédaction des rapports et la préparation des soutenances orales.
L’ENSAIT dispense également une formation par apprentissage. Notre rôle consiste à accompagner
pédagogiquement ces étudiants tout au long de leur formation et de nous assurer que les tâches qui
leurs sont confiées au sein de l’entreprise correspondent au référentiel ENSAIT. Ainsi des visites en
entreprises sont régulièrement organisées et des évaluations par période menées par l’étudiants, le
tuteur entreprise et le tuteur Universitaire.
4.5.1 Projets de fin d’étude
o QUINTY Constance, DJO France, « Les produits orthopédiques tricotés », 2018
o VEIGNIE Caroline, Urban Circus, « Intégration de systèmes électroniques dans les textiles », 2018
o NIEUWJAER Laurine, Inserm Onco Thai, « Développement et caractérisation d’un dispositif de
traitement des kératoses actiniques du visage et du buste par la thérapie photodynamique », 2018
o ROLLET Florence, DJO France, « Développement de genouillères et chevillières tricotées fines », 2017
o INIEVA Emeline, Decathlon, « Définition et caractérisation de l’avantage produit « cache tétons » et
des matériaux utilisés lors d’un processus de moulage », 2017
o BERREHILI Rida, Bioserenity, « Développement d’un vêtement connecté à usage médical », 2017
o ALMERO Coline, Bioserenity, « Développement d’un produit connecté, application à une solution
cardiaque et à une solution contre l’épilepsie », 2017
o OUFKIR Hanane, Mediama, « Mise au point de la méthodologie standardisée et gestion d’un produit
ou d’une gamme de produits », 2016
o DELORME Romain, Alpex Protection, « Industrialisation et optimisation de l’enduction polyuréthane
sur support laminé 2 couches membrane PTFE mono-composante », 2016
o SAMIR MANSOUR Viviane, EMPA, « Isolation variable et respirable », 2016
o BEYNIER Matthieu, Airbus Hélicoptère, « Remplacement d’un tissu aramide pour blindage balistique »,
2016
o ROZET Sélène, Shinshu University, « Evaluation de la soie sauvage antheraea pernyi in vitro », 2015
o BRACHET Pierre, Sommer NeedlePunch, « Croissance et diversification de la gamme dalle de
l’entreprise Sommer Needlepunch », 2015
o FARDOUX Gauthier, VestechPro, « Développement d’un accessoire intelligent », 2015
o ALISON Amélie, VestechPro, « Développement de produits adaptés et intelligents », 2015
o LOHEAC Manon, IFTH, « Développement d'un textile intelligent afin de prévenir l'artérite », 2014
o JELAGO Adeline, Berengier, « Mise en place d’une démarche qualité » 2014
o DELACOU Clément, National Museum of Emerging Science and Innovation, Japan, « Développement
de cellule photovoltaïques organiques », 2014
o AUDRIC Thomas, CTT, « Développement d'un sous-vêtement chauffant pour les travailleurs du froid »,
2013
o MANOUVRIER Melissa, « Mise à jour et évolution du système documentaire qualité », Plastic Omnium,
2013
o PREVOST Guillaume, Cousin Trestec, « Développement de nouveaux produits », 2013
52
4.5.2 Stages de première et deuxième année
o REGNIER Julie, E2, Monoprix, « Qualité Textile : bébé, sous-vêtement enfant, homme et linge de
maison chez Monoprix », 2018
o ROUTHIAU Adèle, E2, Système U, « Assistant au pôle qualité textile », 2018
o WONG Wai Yee, E1, Bureau Veritas, « Assistant qualité au sein du laboratoire », 2018
o CRISPEELS Anaïs, E1, Bureau Veritas, « Assistant qualité au sein du laboratoire », 2018
o JULLIAN Anaïs, E1, Eminence, « Tests qualité sur les produits Eminence », 2018
o SILVESTRE Claire, E2, Quantor Innovation, « Amélioration de la conception d’un textile Connecté »,
2017
o BATTA Fatim, E2, Agnès b, « Assistante qualité », 2017
o SABOUR Noura, E1, Bureau Veritas, « Assistante qualité au sein du laboratoire », 2017
o DUMOULIN Léa, E1, Décathlon, « Etude du comportement à l’usage des composants en maille
naturelle », 2017
o BARET Mélanie, E1, American Vintage, « Découverte de l’entreprise American Vintage », 2017
o THOMAS Charlène, E2, Les Celluloses de Brocéliandes, « Fabrication et commercialisation de couches
bébé et de protections féminines externes », 2016
o HERMAN Pierre, E2, Subrenat, « Contrôle qualité de l’entreprise Subrenat », 2016
o SLAMA Anne-Claire, E2, Faurecia, « Optimisation du confort thermique des sièges automobiles », 2016
o OUFKIR Hanane, E2, Mediama, « Etude de marché, positionnement stratégique et déploiement
opérationnel », 2016
o DESMARCHELIER Geoffrey, E1, Bergan, « Découverte de l’entreprise Bergan », 2016
o MINET Benoit, E2, Tibtech Innovations, « Conception de pads chauffants surfaciques pour une
approche industrielle », 2015
o GEIMEL Sarah, E2, Burton of London, « Assistante qualité », 2015
o ROBERT Pierre, E2, Berengier SAS, « Organisation du procédé de création et rangement
d’échantillons », 2015
o DESQUILBET Eloïse, E1, Jacques Dubois, « Contrôle qualité de l’entreprise », 2015
o GARACH Lucie, E1, Laboratoire SGS CTS, « Découverte de l’entreprise SGS CTS », 2015
o RABOT Alice, E1, Berengier SAS, « Informatisation du système de pesée », 2015
o KOSSINGOU Zadi, E1, Hexcel reinforcements, « Harmonisation de gammes et méthodes pour
laboratoire », 2015
o VERA Romain, E1, Promod, « Découverte de l’entreprise Promod », 2015
o BOUCHACOURT Romain, E2, Decathlon, « Assistant ingénieur dans l’accessories business unit », 2014
o KERCHOUCHE Linda, E2, Auchan, « Contrôle qualité de l’entreprise », 2014
o FLAHAUT Maxime, E2, Concorde Buisness, « Responsable développement produit », 2014
o GARNIER Baptiste, E2, Innotex, « Elaboration d’une chemise technologique », 2014
o BONNEAU Laure-Anne, E1, Berengier SAS, « Découverte de la logistique et du commerce dans
l'établissement Bérengier », 2014
o DESCHODT Maxime, E1, Berengier SAS, « Découverte de la logistique et du commerce dans
l'établissement Bérengier », 2014
o SEJOURNANT Estelle, E1, Plastic Omnium, « Réalisation des études ergonomiques des postes de travail
chez Plastic Omnium », 2013
53
4.5.3 Etudiants en apprentissage
o ROLLET Florence, A3, (2016 – 2017), DJO France
o QUINTY Constance, A1 – A2 – A3, (2015 – 2018), DJO France
o BEYNIER Matthieu, A1 – A2 – A3, (2014 – 2017), Airbus Hélicoptère
o MANOUVRIER Mélissa, A3, (2012 – 2013), Plastic Omnium
5 Synthèse des activités administratives et collectives
5.1 Participation aux instances
5.1.1 Conseil Scientifique de l’ENSAIT
Depuis 2012, je suis membre titulaire élu du Conseil Scientifique de l’ENSAIT dans le collège Maître
de Conférences non HDR. Ce conseil est composé de représentants de toutes les catégories de
personnes de l'École, et de membres extérieurs, institutionnels et industriels. Il a pour but de définir
les grandes orientations stratégiques et de définir la politique scientifique de l’établissement.
5.1.2 Conseil du Laboratoire GEMTEX
Depuis 2017, je suis membre élu du Conseil du Laboratoire GEMTEX (CLG) pour le collège Maitre de
Conférences non HDR. Ce conseil est composé des enseignants-chercheurs titulaires de l’HDR et de
membres élus par collège représentant les personnels scientifiques et techniques. Le CLG se réuni
une fois par mois et est un outil de management participatif qui aide la direction du laboratoire au
pilotage et au bon fonctionnement de la structure.
5.1.3 Comité d’Hygiène et Sécurité de l’ENSAIT
Entre 2010 et 2012 (Chargé de Recherches), j’ai été membre suppléant du Comité d’Hygiène et
Sécurité de l’ENSAIT. L’objectif du CHS est de faire de proposition au Conseil d’Administration pour
promouvoir la formation à la sécurité, contribuer à l’amélioration des conditions d’hygiènes et de
sécurité dans l’établissement. Ce comité est composé de représentants de toutes les catégories de
personnes de l'École, d’étudiants, et du médecin de prévention.
5.1.4 Conseil pédagogique de l’ENSAIT
Depuis 2017, je suis membre du conseil pédagogique de l’ENSAIT, en tant que responsable e-learning
et co-responsable Fil Rouge. Les missions de ce conseil sont essentiellement d’optimiser la qualité et
la cohérence de l’offre de formation et de faire une veille sur les pratiques pédagogiques innovantes,
efficaces et non efficaces, et en avertir les enseignants.
54
5.2 Participation aux activités de l’école
5.2.1 Responsable du Domaine Textile Intelligent
Depuis 2017 je suis responsable pédagogique du Domaine Textile intelligent en 3ème année de
formation ENSAIT (60 Heq.TD, voir chapitre 4.2.2, page 48). J’ai travaillé en collaboration avec le
responsable de l’option Ingénierie des Textiles Techniques (ITT) pour veiller, d’une part, à la
cohérence des enseignements avec le référentiel de compétences de l’ingénieur ENSAIT et avec les
autres domaines (4 au total) et, d’autre part, à ce que le programme du domaine corresponde aux
attentes des acteurs du monde économique concerné. Au fil des années, je m’assurerai de la bonne
évolution des enseignements du Domaine en fonction des suggestions des acteurs économiques, du
monde de la recherche et du développement mais aussi des retours des étudiants qui suivent ce
Domaine et de l’équipe enseignante qui le fait vivre notamment par les projets. De même une
démarche qualité est entreprise avec, à l’issu des enseignements, des réunions avec les élèves et les
intervenants du Domaine. Des actions correctives pour l’année 2018/2019 ont déjà été entreprises.
5.2.2 Co-responsable du Fil Rouge
Depuis 2014, je suis co-responsable du Module Fil Rouge en 1ère année de formation ENSAIT (voir
chapitre 4.2.1, page 47). Ce module « projet » se déroule sur l’année entière et fait travailler les
étudiants, en groupe de 6 (demi-groupe de TP), sur 4 articles textiles réunis autour d’un thème. La
responsabilité de ce Module consiste à le faire évoluer pour améliorer sa qualité pédagogique et
veiller à ce que les acquis d’apprentissages correspondent à ceux reportés dans le référentiel de
compétences de l’ingénieur ENSAIT.
Ainsi la responsabilité pédagogique comprend, entre autres :
o La sélection des thèmes et articles à étudier ;
o L’organisation des séances de travail (gestion d’une partie de l’emploi du temps) ;
o L’évaluation sous de multiples formes (Classeur de synthèse, QCM, séance de face-à-face,
présentation autour de stand, présentation finale…) ;
o Une démarche qualité prenant en compte les retours des différents acteurs du Module.
5.2.3 Co-responsable du Séminaire de découverte textile
Le « séminaire de découverte textile » est programmé pendant les trois premières semaines
d’enseignement des étudiants de 1ère année ENSAIT (3 premières semaines de septembre). Depuis
2012, durant ces 3 semaines, les étudiants ont 3 types d’activités : des activités étudiantes (gérées
par le BDE) ; des cours de découvertes textiles ; un projet de découverte textile. En collaboration
directe avec la direction de la formation j’ai la co-responsabilité de ces deux dernières activités. Cette
gestion consiste mettre en œuvre les moyens humains et les ressources matérielles nécessaires au
bon déroulement des cours et surtout du projet. Il est organisé autour d’une dizaine de groupe
55
d’étudiants, constitué en fonction de leurs profils ou passions, qui choisissent un article textile à
découvrir. Les objectifs du séminaire sont de faire découvrir l’ENSAIT et son fonctionnement,
d’appréhender le monde du textile et de faire se connaitre les étudiants. Les responsables du
séminaire sont aussi les animateurs des groupes d’étudiants. Le résultat du travail est présenté sous
forme de stands à la fin du séminaire et évalué par un jury d’enseignant. Une démarche qualité
prenant en compte les retours des différents acteurs du séminaire permet d’amener des actions
correctives et d’améliorer cette activité au fil des années.
56
57
Deuxième Partie – Travaux sur les actionneurs textiles
1 Introduction
Les actionneurs sont les éléments des systèmes textiles intelligents effectuant des actions diverses.
Cette première partie décrit des actionneurs textiles, de différentes natures, que j’ai pu concevoir et
optimiser au travers de mes travaux et encadrements. Sur les textiles chauffants, sont présentées
des études proposant d’améliorer l’homogénéité de la température et investiguant la possibilité de
disposer de systèmes autorégulant en température. Ces travaux ont été généralement menés
conjointement avec des enseignants chercheurs du groupe Matériaux Textiles et Procédés (MTP) du
GEMTEX. D’autres activités sur des matériaux et des structures électrochromes ont permis de
préparer des cellules électrochromes solides textiles et d’adapter des moyens de mesures pour
caractériser les changements de couleurs obtenus. Enfin, une dernière partie portera sur le
développement de tissus diffuseurs de lumière à base de fibres optiques qui est un sujet traité, au
niveau mondial, depuis le milieu des années 90’. L’expertise du GEMTEX dans la mise en œuvre et le
traitement de ces matériaux remonte au début des années 2000 [106] pour des applications liées à la
mode et aux textiles communicants. Sur ce sujet, nous avons optimisé et homogénéisé la lumière
émise grâce à la mise en place de modèles pour une application médicale.
2 Les textiles chauffants
2.1 Introduction
Les textiles chauffants ont été une de mes activités annexes dans laquelle j’ai pu réemployer des
connaissances, des matériaux et des procédés de mise en œuvre développés dans d’autres études.
En outre, les textiles chauffants ont toujours connu un intérêt de la part des divers acteurs du monde
économique que ce soit pour des applications liées au confort, au maintien en température de
produits, à la commande thermo activée d’actions etc.
Traditionnellement, les textiles chauffants sont réalisés en s’inspirant des câbles chauffants. Un fil
conducteur résistif (quelque Ohms par mètre) est court-circuité pour chauffer par effet Joule. Pour
assurer la sécurité du système et des utilisateurs, le fil est soit initialement gainé, soit, après
insertion, laminé entre des matériaux isolants. Les fils commerciaux les plus utilisés sont des
multifilaments d’acier inoxydable ou de carbone et ils sont soit implémentés (par collage, couture,
broderie…) aux textiles soit inclus lors de la production des étoffes.
Un des points négatifs lié à l’usage de tels dispositifs est la non-homogénéité de la température sur la
zone de chauffage. En effet, à l’emplacement du fil, la température peut être élevée et le gradient de
température très important en s’éloignant de celui-ci. Dans le chapitre 2.2, est traité une des pistes
envisagées pour palier, en partie, à ce problème qui est la mise au point d’enductions chauffantes.
58
Dans la plupart des produits commerciaux nomades (gants, veste…), la « régulation » de température
se réalise en augmentant ou en diminuant la tension d’entrée. Pour des produits plus élaborés, mais
moins confortables, des sondes de température peuvent être ajoutées. Dans le chapitre 2.3 est mise
en avant une alternative à l’usage d’une électronique de régulation qui est la mise à profit du
phénomène de coefficient de température positif (CTP) propre aux composites polymères
conducteurs (CPC). Ce phénomène se caractérise par une forte variation (jusqu’à plusieurs ordres de
grandeur) de la résistivité du CPC à des températures caractéristiques et propres au système étudié.
2.2 Travaux sur les enductions chauffantes
Les éléments chauffants développés sont conçus pour être flexibles et proches, en termes de
caractéristiques physiques, des structures textiles existantes. Ils comprennent un tissu dans lequel
sont intégrées, lors du tissage, des électrodes en forme de peigne composées de fils en acier
inoxydable et une enduction basée sur un composite polymère conducteur (CPC) constitué d'une
matrice polymère (latex base aqueuse) et de nanoparticules conductrices de noir de carbone (CB).
2.2.1 Réalisation des éléments chauffants
Les électrodes en peigne ont été réalisées avec des fils textiles en acier inoxydable (2 retors x 275
filaments x 12 μm de Bekintex®) d’une résistivité de 14 Ohm/m. Ils sont tissés en armure toile sur un
métier à main (métier ARM équipé d'une boîte de commande Selectron). Des fils de coton ont été
utilisés pour le reste du tissu (chaîne et trame avec des densités de 27 et 10 fils/cm, respectivement).
Les fils en acier inoxydable ont été introduits manuellement pendant le processus de tissage selon le
modèle présenté à la Figure 2.
Figure 2 : Structure de l’élément chauffant [27].
59
Des échantillons ayant une surface chauffante (c'est-à-dire L x l sur la Figure 2) supérieure à 180 cm2
ont été préparés. La distance entre les électrodes (lp) est restée fixe à 20 mm. Le revêtement a été
réalisé en utilisant un CPC composé de noir de carbone (CB, Printex® L6, Degussa), une solution de
latex (Kraton® IR-401, Kraton Polymers), un agent dispersant (Disperbyk®-2010, SPCI) et de l'eau
distillée. L’étude a consisté à réaliser des enductions avec des CPC avec des taux de CB compris entre
2,5 et 60 wt.-% (12 mélanges) puis de les caractériser électriquement et électro thermiquement. La
résistivité a été mesurée en utilisant une sonde quatre points en vue de déterminer le seuil de
percolation et le taux minimal de CB qui permet une conduction électrique suffisante pour
l’application.
Pour caractériser la chauffe des échantillons, deux études sont menées :
o Alimentation de l'élément chauffant avec des tensions variables (10, 15, 20 et 24 V). La
température de surface est enregistrée en utilisant un thermocouple toutes les 15 minutes à
5 endroits différents de l’enduction (pas sur le fil). La température moyenne est calculée à
partir des 5 mesures. Un ampèremètre a été utilisé pour déterminer la consommation
d'énergie (W) de l'élément chauffant. Cette consommation est exprimée en mW/cm² (prise
en compte de la surface précise de chaque échantillon),
o Alimentation de l'élément chauffant par une tension constante de 15 V et prise d’images
toutes les 20 secondes avec une caméra IR (Agema ThermoVision 900).
2.2.2 Caractérisation des éléments chauffants
Les mesures électriques ont montrés un comportement classique de la dépendance de la résistivité
du CPC envers le taux de charge conductrice [107]. Une courbe en « S » est observée et la conduction
électrique est assurée pour des taux de charges au-delà de 18 wt.-% (Figure 3). Cette valeur est
relativement plus élevée que celle rapportée dans la littérature pour des systèmes similaires [108].
Cependant, dans notre étude, nous n’avons pas optimisé le procédé de préparation du CPC. La Figure
3 montre également un deuxième saut à environ 45 wt.-% de CB après lequel la résistivité diminue
encore. Ces mesures sont à mettre en relation directe avec les mesures de température effectuées.
En effet, comme prévu, aucune élévation de température n'a été enregistrée pour les échantillons
contenant moins de 30 wt.-% de CB. Pour des taux de CB compris entre 30 wt.-% et 45 wt.-%, le ΔT
(température de surface du textile – température de la pièce) augmente avec le taux de CB. Au-
dessus de 45 wt.-% CB, le ΔT n'augmente pas de manière significative avec le taux de charges
conductrices.
60
Figure 3 : Résistivité électrique de l’enduction en fonction du taux de charge [27].
La valeur maximale de ΔT (près de 20°) a été enregistrée pour une tension d’alimentation de 24 V et
des taux de CB de 45 et 60 wt.-%. La Figure 4 montre que pour ces éléments textiles chauffants, la
puissance électrique d'entrée était proche de 250 mW/cm².
Figure 4 : Augmentation de la température des éléments chauffants en fonction de la puissance
d’alimentation [27]
Les images infrarouges montrent la répartition de la chaleur dans la structure (électrodes en peigne
et revêtement conducteur) en fonction du temps. La Figure 5 montre la distribution de la
température de surface l'échantillon réalisé avec une enduction à 60 wt.-% de CB, de t = 0 s (Figure
5-a) à t = 180 s (Figure 5-f). Pour ce test, la tension d'alimentation était égale à 15 V. Nous pouvons
clairement voir que la structure en peigne (fil d'acier inoxydable) chauffe dès la mise sous tension. La
température maximale de ce fil est d'environ 70°C et est atteinte après 120 s. L’enduction CPC
chauffe plus lentement mais on peut observer qu'après 120 s, la température de toute la surface
dépasse 35°C et qu'elle dépasse 40°C après 180 s. Ces observations montrent que les fils en acier
inoxydable positionnés pour « alimenter » l’enduction participent également à la chauffe (ils sont
résistifs) et que l’enduction CPC apporte la fonctionnalité désirée permettant une chauffe beaucoup
plus homogène que l’emploi d’un fil résistif seul.
61
Figure 5 : Image infrarouge d’un élément chauffant (60 wt.-% CB) sous 15 V de t=0 (a) à t=180 s (f)
[27]
2.3 Travaux sur les textiles chauffants régulés par CTP
Ces travaux ont été menés conjointement avec l’équipe Matériaux Textiles et Procédés (MTP) du
Laboratoire GEMTEX dans le cadre d’un projet privé avec le groupe PSA. L’effet de Coefficient de
Température Positif (CTP) est la variation non linéaire de la résistivité d’un CPC en fonction de la
température. Cet effet s’explique par des variations de volume spécifique lors des transitions
thermiques de la matrice du CPC. L’effet le plus notable est rencontré à la température de fusion où
le volume spécifique augmente de façon significative (d’autant plus que le degré de cristallinité du
polymère est élevé [109]) ce qui a pour effet d’ouvrir, de manière réversible, le réseau conducteur et
donc de faire augmenter généralement de plusieurs ordres de grandeur la résistivité électrique du
CPC [110]. Cette forte augmentation de résistivité à une température donnée permet une
autorégulation de l’effet Joule. L’inconvénient majeur est qu’à sa température de fusion, le CPC perd
ses propriétés mécaniques. Ainsi, pratiquement, pour utiliser le phénomène CTP, il faut une structure
hôte ou utiliser une autre transition thermique que la fusion. Ce projet privé visait à faire en quelque
mois un point sur (i) la faisabilité d’une structure hôte textile accueillant un CPC paraffine / CB et (ii)
la détection du CTP à la Tg d’un CPC PA12 / NTC. J’ai mené avec l’ingénieur d’étude (El-ZEIN
Alexandra) les investigations sur le sujet (i) en incluant les contraintes fortes du partenaire industriel,
à savoir, une température régulée entre 36 et 40°C, une alimentation de 12 V maximum et un coût
de réalisation minimum (confidentiel).
62
2.3.1 Réalisation des enductions chauffantes à effet CTP
Nous avons sélectionné la Paraffine Parafol 2OZ comme matrice pour son point de fusion (Tf) à
37,5°C. Classiquement, comme toutes les études sur les CPC, nous avons procédé à la réalisation de
mélanges avec des taux de charges variables (5 mélanges de 7,5 à 25 wt.-%) pour déterminer l’allure
de la courbe de percolation (voir troisième partie, chapitre 3.2.1, page 90). Les phénomènes liés aux
variations de la conductivité étant exacerbés pour des taux de charge supérieurs mais proches du
seuil de percolation, nous avons, pour ce système Paraffine / CB, sélectionné 2 mélanges à 20 et 25
wt.-% pour réaliser les tests de chauffe. Pour ceux-ci, le CPC à l’état fondu est déposé sur un tissu
support sur lequel sont placés 2 fils en acier inoxydable (2 x 275 x 12 μm de Bekintex®) pour
l’alimentation électrique (Figure 6). Après refroidissement une enduction de silicone est déposée
pour isoler le tout et éviter les écoulements lors de la fusion de la paraffine.
Figure 6 : Procédé de fabrication et configuration d’une enduction chauffante [111]
La caractérisation des enductions est menée par deux séries de tests. La première, pour vérifier le
phénomène CTP, consiste à placer les enductions en enceinte climatique (Excal 2221-HA, Climats®) et
à faire varier la température de -18°C à 45°C puis de 45°C à -18°C (pas de 1°, 1 min de stabilisation à
chaque pas) tout en mesurant par les électrodes en acier inoxydable la résistance électrique (Courbe
I/V et extraction des pentes). La deuxième série de tests consiste à alimenter l’élément chauffant en
12 V et à mesurer, en fonction du temps, en 3 points de sa surface, la température avec des
thermocouples. Le but est ici de se rapprocher des conditions d’usage.
2.3.2 Caractérisation des enductions chauffantes à effet CTP
Comme attendu l’effet CTP lié à la fusion de la matrice paraffine est très marqué, la résistance
électrique mesurée est multipliée par 9 (Figure 7). Le pic est mesuré à 42°C et est décalé par rapport
à la température de fusion (37,5°C) comme habituellement dans ce genre de système [112].
63
Figure 7 : Effet CTP des enductions paraffine / CB 20 et 25 wt.-% [111]
Les résultats de chauffe sont présentés Figure 8 et montrent clairement la non atteinte des objectifs.
En effet, la température de 37,5°C n’est pas atteinte sous 12 V avec ces matériaux et cette
configuration d’élément chauffant. Les températures de surface atteintes se situent entre 24 et 28°C
soit de + 3° à + 7° par rapport à la température ambiante (21°C). De plus, des écarts de température
assez importants sont constatés entre différents échantillons (courbes bleues, oranges et grises) et
entre les points de mesure. Ces écarts peuvent provenir d’une mauvaise homogénéité de la
dispersion des charges carbonées dans la paraffine [112] et/ou de l’inhomogénéité de l’épaisseur de
l’enduction due au procédé manuel.
Figure 8 : Température de surface de 3 éléments chauffants en 3 localisations, sous 12 V [111]
2.4 Conclusion
Mes activités autour des textiles chauffants m’ont permis de mener des études dérivées des
matériaux CPC développés initialement pour des applications capteurs mécaniques (voir troisième
partie, chapitre 3, page 89). Ces travaux ont néanmoins en partie répondu à des problématiques
d’homogénéité et de régulation de chauffe et ont permis d’explorer des pistes techniques
intéressantes dans le contexte des textiles intelligents. Ces études ont aussi été l’occasion de
collaborer étroitement avec l’équipe MTP et avec des partenaires industriels.
64
Les activités sur les textiles chauffants ont été valorisées par 2 publications [37],[4], 1 chapitre
d’ouvrage [27] et 3 conférences [45]–[47].
3 Les textiles électrochromes pour les textiles communicants
3.1 Introduction
Les travaux sur les systèmes électrochromes flexibles et textiles ont été menés au sein d’un projet
collaboratif dans le contexte très général des « textiles communicants » pour des applications liées à
l’évènementiel telles que la publicité sur le lieu de vente.
Les électrochromes sont des matériaux dont les propriétés optiques changent réversiblement
lorsqu’on leurs applique une différence de potentiel. Le changement de couleur est lié aux différents
états d’oxydation des molécules et des spectres d’absorption qui y sont liés [113]. Les premiers
travaux sur ces matériaux sont anciens mais c’est dans les années 60 que les investigations pour une
exploitation industrielle ont débutée [114]. Néanmoins, ils ont à l’heure actuelle peu d’applications si
ce n’est dans les vitrages dits intelligents (Privacy glass / smart glass) pour le domaine du bâtiment ou
de l’automobile. En effet, la structure électrochrome de base contient 7 couches (Figure 9) et la
durée de vie du système est largement augmentée si les couches centrales sont stables
dimensionnellement, protégées de l’eau, de l’oxygène etc. Ainsi, les systèmes dont les composés
actifs sont placés entre deux substrats de verres sont privilégiés. Néanmoins, l’émergence plus
récente des Polymères Conducteurs Intrinsèques (PCI) a ouvert de nouvelles perspectives quant au
développement de cellules souples voir textiles.
Figure 9 : Structure 7 couches de base d’une structure électrochrome [113]
Les travaux menés dans le cadre de la thèse de MEUNIER Ludivine et du Post-Doc de KELLY Fern ont
permis de développer une structure électrochrome à base de PCI centrée sur des textiles ou des
procédés textiles. Des structures comprenant du textile avait déjà été obtenues par d’autres équipes
65
mais celui-ci contenait l’espèce électrochrome et était placé entre deux électrodes sous forme de
film (PET-ITO)[115] ou servait uniquement de support pour l’implémentation, par collage, des
couches fonctionnelles [116]. Dans les études menées à l’ENSAIT et résumées ci-après, l’accent a été
mis sur (i) la réduction du nombre de couches permettant la préservation du caractère textile de la
structure finale, (ii) le développement de composés permettant l’affichage de multiples couleurs et
(iii) la caractérisation du changement de couleur par des mesures dans l’espace de couleur CIE L*C*h
et non pas simplement en mesurant les longueurs d’ondes absorbées.
3.2 Cellules électrochromes à base de PANI
Ces premiers travaux sur les systèmes à base de polyaniline (PANI) nous ont permis d’aboutir à une
structure électrochrome possédant moins de couches par rapport à la structure classiquement
décrite. La PANI possède un caractère électrochrome bien connu dans la littérature mais est souvent
déposée ou synthétisée en couche mince sur un substrat sous forme de film (PET-ITO par exemple).
Une des originalités du travail a été de greffer le monomère aniline sur un substrat textile (nontissé
de viscose ou PET) puis de procéder à sa polymérisation pour former de la PANI autour des fibres
[117]. Les nontissés sont imprégnés par une solution aqueuse de monomère d’aniline et du p-
dodecylbenzylsulfonate. Cette phase permet au monomère d’être absorbé à la surface des fibres.
Après rinçage, le non tissé est placé dans une solution de monomère à laquelle on ajoute l'oxydant
(chlorure ferreux) ce qui provoque la polymérisation. Un rinçage final à l’eau déminéralisée, puis un
séchage à l’air, permet alors d’obtenir un nontissé conducteur électroactif.
L’avantage de l’usage d’une structure nontissée / PANI est que celle-ci joue le rôle de trois couches
dans la structure électrochrome de base (Figure 9) : stockage d’ion, électrolyte et électrochrome.
Ainsi le nontissé / PANI peut directement être inséré dans une structure 4 couches pour être utilisé
comme cellule électrochrome flexible (Figure 10). Le dispositif passe du vert clair au bleu/pourpre en
appliquant une tension de -3 / + 3 V pendant 1 minute (Figure 11).
Figure 10 : Structure 4 couches mise au point pour les cellules électrochromes à base de nontissé /
PANI [11]
66
Figure 11 : Cellule électrochrome à base de nontissé (viscose) / PANI. Vue de profil (a), avant (b) et
après (c) application de +3 V (1 minute)
Malheureusement, comme d’autres équipes, nous avons constaté que ces cellules étaient assez
limitées en nombre de cycles, vitesse de commutation et couleurs disponibles. La faible vitesse du
changement de couleur est attribuée au fait que cette cellule est tout-solide et donc la mobilité des
charges est très réduite par rapport à une cellule liquide ou gel. Ceci est d’autant plus vrai que les
distances à parcourir sont importantes du fait de l’épaisseur du nontissé. Le nombre de cycles
maximum (environ 10) doit être dû à des réactions électroactivées irréversibles ente le PANI, les
dopants et l’oxygène de l’air.
3.3 Cellules électrochromes à base de Polythiophène
3.3.1 Sélection et mise en œuvre des monomères
Pour tenter de remédier aux problèmes du temps de commutation important et de faible durée de
vie des cellules solides à base de PANI, nous avons développé des cellules liquides à base de
polythiophène. Pour cela, nous avons combiné un électrolyte sous forme de gel très visqueux [118]
au monomère thiophène puis procédé à une polymérisation électrochimique in-situ au sein de la
structure textile (Tricot PET) sous 3 V pendant 30 secondes. En variant les substituants du monomère
thiophène de base, avant polymérisation, il est possible d’avoir accès au final, à différentes couleurs
lors du passage de la forme neutre à oxydée des polymères comme présenté Figure 12. L’un des
monomères les plus intéressants est le 2,2’-BT qui propose une transition réversible entre un vert et
un rouge.
Figure 12 : Changements de couleurs obtenus pour des cellules à base de polythiophènes [10]
67
Le temps de commutation de ces cellules est de l’ordre de 10 secondes du fait de la bonne mobilité
des ions en phase liquide. Ces cellules supportent plus de 50 cycles de changement de couleurs car
elles sont moins sujettes à l’oxydation que les cellules à base de PANI. Néanmoins, sur ces versions,
nous avons constaté des durées de vie limitées dues au séchage de l’électrolyte (48 H) et nous
utilisons des films PET-ITO pour les 2 électrodes, perdant ainsi la nature textile de la cellule complète.
3.3.2 Mélanges de monomères
Pour augmenter le panel de couleurs disponibles, nous avons, lors de la phase de mélange
monomère / électrolyte, travaillé avec plusieurs monomères simultanément. Ainsi, à une base
d’EDOT (qui commute du bleu foncé au bleu clair) nous avons ajouté en différente proportions (1/2 ;
1/1 ; 2/1) du 2,2’-BT, 2,3’-BT, 3PT et 5H-2,2’-BT. Ces mélanges combinés à l’électrolyte gel, décrit
auparavant, sont polymérisés électrochimiquement in-situ au sein de la structure textile (Tricot PET)
sous 3 V pendant 30 secondes.
Cependant, les cellules produites avec ces mélanges présentent un assez faible changement de
couleur qui est, dans tous les cas, moins intéressant que lorsque les monomères sont utilisés purs.
Les meilleurs résultats sont obtenus pour les mélanges EDOT / 2,2’-BT qui passent, quel que soit la
proportion, du bleu au violet. La meilleur combinaison (2/1 EDOT / 2,2’-BT) permet de réaliser une
cellule ayant un ∆E mesuré à 15,91 (voir chapitre 3.4, page 68) ce qui est comparable au ∆E d’une
cellule à base de 2,2’-BT seul (15,56).
3.3.3 Cellule électrochrome textile
Les derniers développements de KELLY Fern ont permis de mettre au point un composé électrolyte /
polythiophène solide et donc non sujet au séchage. Le composé est, comme précédemment,
polymérisé sur un fin tricot de PET ce qui permet de réduire le temps nécessaire aux mouvements
ioniques dû à l’épaisseur du substrat. De même les films PET-ITO ont été remplacés par des
électrodes conductrices textiles. Cette quatrième génération de cellule électrochrome est ainsi tout
textile et tout solide (Figure 13). Le temps de commutation est de l’ordre de 10 secondes et la durée
de vie est supérieure à 3 semaines.
68
Figure 13 : Cellule électrochrome à base de thiophène tout textile (a), dans son état oxydé (b) et
neutre (réduit) (c)
3.4 Evaluation des changements de couleur des cellules électrochromes textiles
3.4.1 Mise en œuvre d’un procédé de mesure in-situ
Par des modifications simples des appareils, les mesures au spectrophotomètre de la couleur de la
cellule électrochrome dans l’espace de couleur CIE (Commission internationale de l'éclairage)
peuvent se réaliser pendant l’alimentation électrique de la cellule (Figure 14). Cette mesure in-situ
permet de suivre plus précisément le changement de couleur et a été utilisé dans des travaux au
laboratoire [119] qui ont suivis ceux de MEUNIER Ludivine.
Figure 14 : Spectrophotomètre et alimentation permettant le fonctionnement in-situ des cellules
électrochromes [118]
69
3.4.2 Méthode d’évaluation des changements de couleur et exemples
Les travaux sur les électrochromes organiques sont nombreux et portent généralement sur la
synthèse de polymères offrant de nouvelles couleurs, le développement d’électrolytes plus
performants ou la production de structures plus souples et plus fiables. Lorsque des polymères ou
des cellules entières sont développés, l’évaluation de la couleur et de ses changements s’effectue
soit visuellement (les couleurs sont nommées) soit par mesure des longueurs d’ondes réfléchies.
L’évaluation visuelle est très subjective et dépend grandement de l’environnement d’observation
mais a une vraie réalité dans des contextes d’applications liées à l’évènementiel ou aux textiles
communicants. Les mesures de longueurs d’ondes sont, elles, très fiables mais ne prennent pas en
compte la sensibilité spectrale de l’œil qui peut interpréter une luminance différente selon la
couleur.
Ainsi, en plus de nos travaux sur l’usage des PCI dans des cellules électrochromes textiles, nous avons
contribué à la thématique en introduisant auprès de la communauté l’usage de spectrophotomètre
et les méthodes CIE L*a*b* et CIE L*C*h pour évaluer les changements de couleur des cellules
électrochromes textiles. Depuis de très nombreuses années et dans toutes industries, les méthodes /
modèles CIE L*a*b* et CIE L*C*h sont communément utilisés pour définir une couleur sans
ambiguïté. Un des avantages de ces méthodes est qu’elles permettent de mesurer des écarts de
couleurs. Initialement l’estimation de ces écarts sert au contrôle qualité de process industriels. Les
méthodes CIE permettent de repérer une couleur dans un espace 3D (Figure 15), en coordonnées
cartésiennes (L*a*b*) ou polaire (L*C*h). Dans la représentation cartésienne, l’axe a* (entre 0 et 60)
est pour le vert/rouge, l’axe b* (entre 0 et 60) pour l’axe bleu/jaune et l’axe L* note la clarté (de noir
L=0 à blanc L=100). Dans la représentation polaire, l’angle h (entre 0 et 360°) défini la teinte et le C*
(entre 0 et 60) la saturation (vivacité).
Figure 15 : Notations dans l’espace CIE
Connaissant, par mesure au spectrophotomètre, les coordonnées des points (couleurs), les écarts
sont facilement calculables et peuvent servir pour classer les changements de couleur obtenus. Par
exemple, un écart de L* positif signifie que l’électrochrome devient plus clair, un écart de a* négatif,
qu’il devient plus vert (ou moins rouge) etc. Pour nos études, ce paramètre nous a permis de mettre
en place un critère de décision pour savoir si un changement de couleur avait lieu ou non. En effet
70
deux couleurs sont jugées différentes si la distance entre les coordonnées (∆E) est supérieure à 10
[118]. La Figure 16 présente les coordonnées pour une cellule à base de monomère 2,2-BT qui passe
du rouge au bleu/vert (Figure 12). Cet échantillon propose un ∆E de 15,56 qui montre bien la
pertinence du changement de couleur mais dû essentiellement une grande variation (plus de 90°) de
teinte (h). La faible variation (moins de 5) de clarté (L*) peut être un problème pour certaines
applications dans des ambiances peu lumineuses. Au contraire, la Figure 17 présente les résultats
obtenus pour le 2,3-BT qui passe du gris au jaune (Figure 12). Ici le changement de teinte (h) est
faible (environ 10°) mais la vivacité (C*) et la clarté (L*) de la teinte varient énormément entre l’état
neutre et oxydé. Il en résulte un ∆E de 24,10.
Figure 16 : Coordonnées CIE L*a*b* d’une cellule à base de 2,2-BT neutre et oxydée [118]
Figure 17 : Coordonnées CIE L*a*b* d’une cellule à base de 2,3-BT neutre et oxydée [118]
∆E = 15,56
∆E = 24,10
71
3.5 Conclusion
Mes activités centrées sur le développement de cellules électrochromes textiles m’ont permis
d’encadrer des études liées à l’électrochimie, de travailler sur des liens process / structure et
d’adapter des méthodes d’évaluations aux besoins.
Ces travaux ont permis des avancées en termes de réduction du nombre de couches (de 7 à 4), de la
conception d’une cellule textile tout solide permettant une fiabilisation par rapport aux cellules
liquides ou gels. Les travaux amorcés ont été poursuivis et orientés pour d’autres applications à
l’ENSAIT [119].
Les activités sur les systèmes textiles électrochromes ont été valorisées par 4 publications [6], [7],
[10], [11], 1 chapitre d’ouvrage [29] et 3 conférences [51], [54], [56].
4 Les textiles diffuseurs de lumière pour la thérapie
photodynamique
4.1 Introduction
Les textiles diffuseurs de lumière à base de fibres optiques font partie des premiers textiles
intelligents communicants [106]. Les fibres optiques, surtout quand elles sont en PMMA, sont, de par
leur nature, assez facilement utilisables dans des processus textiles conventionnels et la structure
finale produite reste textile puisque composée de fibres. L’émission de lumière par une structure
fine, légère, souple et non électronique intéresse de nombreux domaines d’activité comme la
sécurité, les transports, l’habitat, le médical…
C’est pour une application médicale de traitement de diverses tumeurs précancéreuses et malignes
par Thérapie PhotoDynamique (PDT) que l’INSERN (Unité U1189 OncoThAI) a fait appel en 2010 aux
compétences de l’ENSAIT en matière de développement de structures textiles et systèmes textiles
intelligents. La PDT est, depuis les années 80, une solution incontournable pour le traitement de
lésions en dermatologie. En effet, elle est efficace, bien tolérée et non invasive comparée à la
chirurgie et à la cryothérapie.
La PDT se base sur l’utilisation d’agents photosensibilisants (qui s’accumulent dans les cellules
cancéreuses) activés par la lumière qui libèrent des radicaux libres (oxygène singuler) qui sont
cytotoxiques. L’intérêt de la méthode réside dans le fait que la destruction des cellules cancéreuses
est sélective.
Conventionnellement, la lumière est délivrée par des panneaux de LED ce qui provoque un
inconvénient majeur qui est la non uniformité de l’émission de lumière sur une surface courbe, tel un
crane ou un avant-bras (Figure 18). Dans les cabinets de traitement, pour être sûr qu’au niveau des
72
zones périphériques d’irradiation, la dose minimale (quelques mJ/cm²) de lumière soit atteinte et
pour ne pas faire durer le traitement, la puissance est augmentée ce qui engendre une douleur très
intense pour le patient.
Figure 18 : Illumination de la peau par un panneau de LED (Aktilite CL16)(a) et distribution des
puissances (mW.cm-2) sur la zone illuminée (7 x 5 cm) (b)[120]
L’objectif final des projets (CLARINS, FLEXITHERALIGHT et PHOS-ISTOS), réalisés en partenariat avec
l’INSERM, est de produire industriellement des modules textiles diffuseurs de lumière homogène
pouvant se conformer à un crâne et alimentés par une lumière LASER pour une application PDT. Pour
arriver à ce résultat, nous avons, dans un premier temps, mis au point par tissage et optimisé les
dimensions d’un textile diffuseur de lumière conçu à partir d’armures simples. La thèse de OGUZ
Yesim nous a ensuite permis d’optimiser la puissance et l’homogénéité de la lumière émise pour
atteindre les standards médicaux, procéder aux essais cliniques et accompagner les partenaires
industriels dans la phase d’industrialisation du dispositif de traitement.
4.2 Mise au point d’un textile diffuseur de lumière
4.2.1 Diffusion de lumière des armures simples
Les fibres optiques sont initialement des guides de lumière dans lesquelles on souhaite
naturellement, le plus souvent, éviter les pertes lorsqu’il s’agit d’applications liées à la
télécommunication et aux capteurs par exemple. Néanmoins ces pertes peuvent être mises à profit si
l’on veut que tout, ou une partie de, la fibre optique soit visible ou éclairante. Dans une fibre guide
de lumière, les causes des pertes possibles sont résumées à la Figure 19.
73
Figure 19 : Causes de pertes de lumière dans une fibre guide de lumière
Dans les fibres conçues pour la télécommunication, les pertes de diffusion (impuretés) sont faibles et
la solution historiquement utilisée pour rendre une fibre optique latéralement éclairante est
l’altération de sa gaine par des traitements le plus souvent mécanique. Ainsi dans les années 1995-
2005 de nombreux prototypes de textiles lumineux à base de fibres optiques à gaine altérée (par
sablage) ont vu le jour pour des applications dans les textiles communicants [121], la mode [122] et
même le médical pour le traitement de la jaunisse du nourrisson [123].
Le problème majeur des textiles lumineux à base de fibres optiques à gaine altérée, notamment par
sablage, est la non homogénéité microscopique de la lumière émise. A l’endroit de l’altération, la
lumière émise est très intense alors qu’à quelques millimètres elle peut être nulle. Dans le cas de la
PDT, où le traitement peut ne concerner que quelques cellules isolées, cet effet de « spot » lumineux
n’est pas acceptable. Ainsi, pour nos développements, nous avons fait le choix de mettre à profit et
de contrôler, lors de la mise en œuvre des fibres sur les machines textiles, les pertes dues aux
courbures des fibres optiques. Ces courbures provoquent une sortie de lumière diffuse, sur plusieurs
millimètres au-delà de l’amorce de la courbe [124], lorsque l’on dépasse l’angle limite qui permet la
réflexion totale interne. Cet angle limite dépend des indices (n) du cœur et de la gaine de la fibre
optique considérée.
Une première phase d’étude nous a permis d’étudier le profil d’émission de lumière de tissus
composés d’armure simple. Les tissus sont réalisés sur un métier à tisser manuel (ARM B60) semi
automatisé (Selectron Mas). Des microfibres (Polyester, 330 dtex) sont utilisées en chaîne (20
fils/cm) et les fibres optiques sont introduites en trame. Des profils d’émission de lumière types sont
présentés Figure 20 et concernent des tissus de la famille des satins.
74
Figure 20 : Mesures (fitted) de la puissance lumineuse sur les tissus Satin 4 (SW4), Satin 6 (SW6) et
Satin 8 (SW8) [8]
Cette phase d’étude nous a permis de valider les concepts imaginés, mais a surtout mis en avant la
non possibilité, pour notre application, d’utiliser une seule et unique armure sur la largeur du
diffuseur textile (20 cm). En effet, même en injectant la lumière par les 2 côtés, la puissance n’est pas
assez élevée ni homogène (Figure 21).
Figure 21 : Simulation de la puissance lumineuse émisse par les tissus Satin 4 (SW4), Satin 6 (SW6) et
Satin 8 (SW8) avec de la lumière injectée des deux côtés [8]
La solution a été de développer un textile original en termes d’armure et de dimensions pour
approcher les spécificités médicales demandées.
4.2.2 Design du module textile diffuseur de lumière
A partir des données issues des mesures d’émission de lumière par les textiles composés d’amures
simples, nous avons mis au point une armure spécifique. Sur sa largeur totale (21,5 cm) le textile
diffuseur est composé de 5 zones (sections) mais par le biais des symétries il est composé de 3
armures différentes (A, B et C) (Figure 22).
75
Figure 22 : Schéma simplifié de la composition du module textile diffuseur de lumière (largeur
21,5 cm)
Les armures A et C sont des « mélanges » de satin 4 et 8 (8 fils tissés en satin 4 puis 8 fils tissés en
satin 8) arrangés de façon à ce qu’un fil tissé en satin 4 dans l’armure A sot tissé en satin 8 dans
l’armure B, et inversement. L’armure C est un satin 6. Lors de la production, la densité trame de
fibres optiques est fixée à 37 /cm.
La caractérisation du module textile diffuseur de lumière (Figure 23) [8] de 21,5 x 5,0 cm (107,5 cm²)
par l’INSERM a montré qu’avec une source LASER de 5 W, la puissance moyenne émise est de 18,2
mW/cm² (soit 3,64 mW/cm²/W) avec une hétérogénéité de ± 2,5 mW/cm² (13,7 %) (mesures sur
zone centrale de 100 cm²). Ces mesures montrent l’intérêt de la nouvelle armure développée mais
laissent entrevoir des possibilités d’optimisation quant au processus de production. Il est nécessaire
de produire ces textiles sur des machines industrielles et non plus sur des machines de prototypage
et des réglages de tension des fils de chaînes peuvent permettre de régler plus finement la dose de
lumière émise.
76
Figure 23 : Module textile diffuseur de lumière [8]
4.3 Optimisation par les plans d’expériences de la puissance et de l’homogénéité de
la lumière émise par les textiles lumineux
4.3.1 Adaptation de la machine à tisser
La thèse de OGUZ Yesim a, dans un premier temps, permis le transfert du tissage du module textile
diffuseur de lumière, tel que défini précédemment, d’une machine de prototypage vers une machine
industrielle. Nous avons profité de cette évolution pour augmenter le nombre d’ensouples (cylindres
sur lesquels sont placés les fils de chaînes) pour avoir la possibilité de régler indépendamment les
tensions des zones A, B et C et ainsi avoir accès à des réglages plus fins (Figure 24-a).
Figure 24 : (a) Configuration des ensouples pour le tissage des modules textiles diffuseurs de lumière
sur machine industrielle et (b) système de mise en tension des ensouples [120]
Pour chacun des cylindres, un système mécanique permettant de régler la tension a été développé. Il
est composé d’un câble partiellement enroulé autour du cylindre, passant dans une poulie et
maintenue en tension par une masse (Figure 24-b). Nous faisons l’hypothèse que le poids accroché
au câble est réparti sur les n fils de l’ensouple correspondant, générant des tensions équivalentes à
M/n pour chacun des fils de chaîne.
77
4.3.2 Définition du plan d’expérience et modèle utilisé
Le but de l’optimisation par le plan d’expériences est de proposer un réglage de tension des
ensouples permettant de maximiser la puissance de la lumière émise par le textile tout en diminuant
l’hétérogénéité de celle-ci. Nous avons ainsi défini l’intensité lumineuse (P, Équation 1) et
l’hétérogénéité (H, Équation 2) du textile comme :
Équation 1
Équation 2
Avec x, les mesures de puissance (W/cm²) relevées sur 2 lignes et tous les centimètres dans le sens
de la largeur du tissu quand celui-ci est éclairé par les deux cotés grâce à des sources dont les
puissances lumineuses sont connues. Un tissu lumineux ayant une émission de lumière puissante et
homogène aura une valeur de P grande et de H petite.
Les facteurs choisis sont la tension (exprimée en g/fil) des fils de chaîne des zones A, B et C
(3 facteurs) pendant le tissage. Nos connaissances du système étudié nous ont permis de fixer les
bornes (-1 et +1) du domaine d’étude des facteurs à, respectivement, 40 et 100 g/fil.
Nous avons fait le choix de l’utilisation d’un réseau de Doehlert qui propose des points
expérimentaux répartis uniformément dans l’espace expérimental et la possibilité ultérieure
d’agrandir le plan initial par translation (Figure 25-a). Les tensions à appliquer sont calculées d’après
les niveaux codés proposés par Doehlert (Figure 25-b). Le plan comporte 13 essais (Figure 25-a) et
permet ainsi, pour 3 facteurs, de déterminer les effets, les interactions et les effets quadratiques.
Pour augmenter la précision du modèle, nous avons choisi de réaliser 3 points au centre.
78
Figure 25 : (a) Représentation du réseau de Doehlert dans l’espace expérimental et (b) tensions
correspondant aux niveaux codés [120]
Les modèles postulés pour P et H sont présentés par les Équation 3 et Équation 4 Avec A, B et C les
facteurs (tension des ensouples) ; x0, la moyenne ; xi, les coefficients des termes linéaires ; xij, les
coefficients des termes d’interactions et les xkk, les coefficients des termes carrés.
Équation 3
Équation 4
4.3.3 Résultats
Du plan d’expérimentation précédemment décrit sont déterminés les coefficients des équations des
modèles (Équation 5 et Équation 6) [120].
Équation 5
Équation 6
Les adéquations entre ces modèles et les valeurs expérimentales sont présentées Figure 26. Pour la
réponse P, l’adéquation est jugée correcte tandis qu’elle est assez faible pour la réponse H.
79
Figure 26 : Graphiques d’adéquations entre les valeurs expérimentales et les valeurs renvoyées par
les modèles pour P et H [120]
De ce premier plan, OGUZ Yesim a proposé une optimisation des tensions dans une zone
expérimentale réduite autour de A = -1 ; B = -1 et -1 < C < -0,6 pour obtenir le meilleur compromis
entre puissance (P) élevée et hétérogénéité (H) faible. 5 expériences additionnelles (dont 1 point au
centre) ont été réalisées et ajoutées au plan initial. Ainsi les nouveaux coefficients calculés des
modèles permettent d’atteindre un R² de 0,91 pour l’adéquation entre P calculé et P expérimental et
0,83 pour l’adéquation entre H calculé et H expérimental soit un gain sensible de 6 points pour H.
Pour ces modèles mis à jour, les surfaces de réponse, avec A = -1, sont présentées Figure 27
Figure 27 : Surfaces de réponse pour les modèles P et H en fonction des facteurs B et C (pour A = - 1)
[120]
De ces surfaces de réponse, est trouvé un compromis permettant d’optimiser P et H, pour le réglage
A = -1, B = -1 et C = -0,6 (point jaune sur la Figure 27). Pour cet échantillon, la puissance moyenne
émise est de 2,6 mW/cm² pour une hétérogénéité de 1,6 Somme écart²/P² pour deux sources
lumineuses de 200 mW. Initialement, pour les textiles non optimisés, la puissance moyenne émise
80
est de 1,98 mW/cm² pour une hétérogénéité de 20,2 Somme écart²/P² dans les mêmes conditions
d’illumination. Ces textiles sont comparés visuellement à la Figure 28.
Figure 28 : Textiles diffuseurs de lumière (a) avant et (b) après optimisation par les plans
d’expériences [120]
4.4 Conclusion
Les études sur la mise en œuvre des fibres optiques permettant d’obtenir directement des surfaces
textiles lumineuses répondant aux spécifications médicales (hétérogénéité et puissance) ont été
menées à bien en collaboration avec l’INSERM dans le cadre de plusieurs projets collaboratifs. Ils ont
permis de valider un concept, prototyper des premiers systèmes puis transférer et optimiser les
procédés vers des systèmes de production par tissage quasi-industriels. Ces projets collaboratifs ne
se limitaient pas qu’à la partie textile diffuseur de lumière puisqu’ils étaient également l’objet du
développement du dispositif médical dans sa globalité, composé de sources laser portables, de
systèmes de contrôle, de connectiques...
Les travaux menés avec OGUZ Yesim ont aussi permis à un partenaire industriel de produire des
textiles diffuseurs de lumière puissants et homogènes (mêmes caractéristiques que les tissus) à base
de tricot.
Des dispositifs (Figure 29) produits par notre partenaire industriel ont subi des évaluations cliniques
en France (CHRU de Lille) et en Allemagne (Klinikum Vest) sur 47 patients et 560 lésions. Celles-ci ont
montré un gain très important quant à la douleur ressentie par le patient passant d’une douleur
cotée à 7,4 ± 2,3 pour le traitement conventionnel à une douleur cotée à 0,3 ± 0,6 pour le traitement
par le nouveau protocole. Le résultat sur le traitement des lésions est identique à 6 mois avec un
taux d’éfficacité de 95 ± 2 % pour le traitement conventionnel et 94 ± 2 % pour le traitement avec le
textile.
81
Figure 29 : Dispositif à base de textile diffuseur de lumière pour essais cliniques, (a) schéma de
principe et (b) prototype fonctionnel
Les activités sur le développement et l’optimisation de textiles lumineux homogène pour la thérapie
photodynamique ont été valorisées par 4 publications [8], [12], [17], [38], 2 chapitres d’ouvrages
[30], [35] et 12 conférences [52], [53], [55], [58], [59], [61], [64], [67], [69], [71], [72], [76].
5 Synthèse
Dans le cadre des travaux menés sur les actionneurs textiles nous avons à la fois développé et adapté
des matériaux innovants en collaboration avec les autres groupes du Laboratoire GEMTEX mais aussi
réalisé un travail approfondi sur les structures textiles, ou moyens textiles permettant l’accueil ou la
mise en œuvre de ces matériaux.
Ainsi, les travaux sur les textiles chauffants ont en partie répondus à des problématiques
d’homogénéité et de régulation de chauffe par l’emploi d’une structure conductrice textile et une
enduction CPC ou par l’utilisation de CPC à effet CTP.
Les études sur les structures électrochromes ont permis des avancées en termes de réduction du
nombre de couches (de 7 à 4) mais surtout la conception d’une cellule textile tout solide permettant
une fiabilisation par rapport aux cellules à électrolyte liquide ou gel. Nous avons également mis en
place une méthode d’évaluation du changement de couleur permettant de quantifier les écarts de
couleurs.
Les travaux sur les structures tissées à base de fibres optiques pour des applications PDT ont été plus
globaux et ont permis de valider un concept, prototyper des premiers textiles lumineux puis les
optimiser en termes de puissance et d’homogénéité de lumière émise via la modélisation.
Les activités sur le développement d’actionneurs textiles ont été valorisées par 10 publications, 4
chapitres d’ouvrages et 18 conférences.
82
83
Troisième Partie – Travaux sur les capteurs textiles
1 Introduction
Cette partie est focalisée sur mon activité principale consistant en le développement de capteurs
mécaniques pour des structures textiles. J’ai pu encadrer et effectuer des travaux pour des
applications dans les domaines du monitoring des déplacements par un revêtement de sol, de
l’évaluation des allongements de films et tissus dans un contexte aéronautique et du développement
de capteurs filaires pour le monitoring de composites à divers stades de leur mise en œuvre.
Dans les systèmes textiles intelligents, les capteurs sont des éléments clés puisqu’ils fournissent des
données d’entrées qui sont ensuite exploitées pour fournir une réponse adaptée. Dans le cadre des
mesures des déformations d’éléments textiles (fibre, fil, étoffe…) la démarche historique, et
communément appliquée, consiste à les implémenter avec des capteurs issus d’autres domaines
d’applications puisque qu’aucun produit sur le marché n’est adapté aux caractéristiques particulières
de ces éléments.
Néanmoins, dans les années 2000 un certain nombre de laboratoires (Université de Pise, Italie ;
EMPA, Suisse ; Georgia Tech, Etats-Unis ; Université Polytechnique de Hong Kong, Chine ; Université
de Gent, Belgique) dont le GEMTEX amorcent des travaux sur le développement de solutions
spécifiques pour instrumenter des textiles. Au laboratoire, les premiers résultats portant sur un fil
piezorésistif sont publiés par KIM Bohwon [125] en 2004. Depuis, l’équipe de recherche qui gravite
autour de ce thème, et supportée par KONCAR Vladan, s’est renforcée avec mon arrivée qui a permis
d’accroitre la possibilité de développement de capteurs pour des applications particulières et
d’augmenter la capacité en caractérisation, notamment envers les grandeurs d’influences.
2 Revêtement de sol pour le monitoring des déplacements
2.1 Introduction
Les sols dits « intelligents » sont une thématique de développement importante des textiles
intelligents pour des applications notamment liées à la sécurité. De tels dispositifs peuvent ainsi
détecter simplement une présence au sol (position debout / allongée d’un corps) ou compter et
guider individuellement des individus lors d’une exposition en fonction des technologies
embarquées. Si ces sols ne renferment que des capteurs de pression, un des avantages est la non-
invasivité du dispositif en comparaison à d’autres technologies comme la vidéo, le RFiD,
géolocalisation des smartphones etc. Toutefois, les systèmes de comptage actuels sont assez
onéreux et ne permettent donc pas de couvrir les sols sur de larges zones. Les études menées,
essentiellement avant, puis, dans le cadre du projet INTELLDALLE, se sont concentrées sur la
84
conception d’un revêtement de sol textile, à coût maitrisé, pour le monitoring des déplacements et la
mise au point des algorithmes de traitement des signaux. Ce dernier point a été l’objet du Master de
AGRAWAL Tarun Kumar.
2.2 Conception du système
2.2.1 Structure du dispositif
Dans sa globalité le revêtement de sol est une structure 5 couches composées de matériaux
commerciaux (Figure 30). Les couches 1 et 5 (couche d’aspect et backing, respectivement)
composent une moquette classique. Les couches 2 et 4 sont constituées de fils textiles en acier
inoxydable (2 retors x 275 filaments x 12 μm de Bekintex®) en nappes placées en X et en Y et forment
les électrodes. Chaque nappe est en réalité constituée de 3 fils placés cote à cote pour occuper une
largeur de 3,5 cm. Enfin la couche centrale est composée d’une moquette initialement
commercialisée comme antistatique mais qui possède un comportement piézorésistif ici exploité.
Celle-ci est constituée d’un nontissé en polypropylène foulardé par des particules carbonées
conductrices.
Figure 30 : Structure du revêtement de sol [98]
La dimension des capteurs (i.e. surface des croisements des nappes de fils conducteurs en X et Y, 3,5
x 3,5 cm) et leurs espacements, ont été définis en s’appuyant sur des études morphologiques [126].
Ainsi, pour notre prototype de dalle de 200 x 100 cm, l’espacement entre 2 capteurs est fixé à 8,7
cm, ce qui correspond à la largeur moyenne d’un pied (non chaussé) moins l’écart type. Ainsi, dès
qu’un pied est posé sur la dalle, au moins un capteur est sollicité et la détection a lieu (Figure 31). La
dalle de 2 m² contient 112 capteurs (16 x 7).
85
Figure 31 : Distribution des capteurs sur le prototype de dalle [20]
De la même manière, pour le dimensionnement de la chaine de mesures et des algorithmes de
traitement, nous avons pris en compte les spécificités temporelles de la marche. Pour un
déplacement normal, le pied droit est en contact pendant environ 0,4 seconde, puis les deux pieds
sont simultanément en appuie pendant 0,1 seconde, puis c’est au tour du pied gauche d’être en
contact avec le sol pour environ 0,4 seconde et ainsi de suite [127]. Aussi, pour notre étude ou un
seul marcheur évolue, une fréquence d’acquisition de 7 Hz a été utilisée. Cette fréquence est assez
basse mais, compte tenu du nombre de capteurs par dalle (112), le nombre de données à traiter pour
cette étude expérimentale est assez important. L’acquisition des données est réalisée à partir d’un
Arduino Mega 2560 auquel nous avons ajouté une unité de multiplexage / demultiplexage ADG732
pour la lecture des 16 canaux en X.
2.2.2 Traitement des données
Les travaux de AGRAWAL Tarun Kumar ont permis de mettre au point un algorithme de traitement
des données en 5 étapes. Ces étapes sont présentées à la Figure 32.
Figure 32 : Organisation de l'analyse des données en 5 étapes [39]
Compte tenu de la nature du dispositif employé, les investigations principales ont portées sur le
filtrage des données (étape 2 de la Figure 32). Des mesures effectuées pendant 5 minutes sur la dalle
non sollicitée ont permis d’observer que les capteurs généraient un bruit avec une distribution
normale. Ainsi une mesure « à vide » et le retrait de 3 sigma à la valeur moyenne permet d’enlever
99 % du bruit. L’avantage de cette méthode est qu’une mesure à vide peut être faite aussi souvent
86
que nécessaire pour éliminer le bruit qui pourrait apparaitre suite aux manipulations de la dalle pour
son installation par exemple.
2.3 Résultats
2.3.1 Mesures statiques
Des premiers essais ont été menés en positionnant au centre de la dalle des masses statiques de
25 kg, 50 kg et 75 kg sur une surface de 65 cm × 45 cm. Ces mesures permettent de valider les
algorithmes de filtration des données et d’avoir une première quantification de la réponse des
capteurs. La Figure 33 montre le signal brut issu de la dalle (b) et l’efficacité de la filtration (c).
Figure 33 : (a) positionnement de la masse sur la dalle (75 kg), (b) signal non filtré, (c) signal après
élimination du bruit [98]
Les amplitudes moyennes du signal des capteurs sollicités lorsque les masses statiques sont
positionnées sont calculées et reportées en fonction de la masse sur la Figure 34. La réponse n’est
pas tout à fait linéaire mais les masses statiques différentes sont parfaitement discernables.
Figure 34 : Amplitude moyenne du signal en fonction des masses statiques [98]
87
2.3.2 Mesures dynamiques
Comme dans d’autres études comparables [128], [129], le choix a été fait de travailler avec un panel
de 8 personnes (4 femmes et 4 hommes) en bonne santé, pesant entre 58 et 84 kg et âgées de 20 à
42 ans. Par contre, aucune contrainte n’a été imposée au panel concernant le type de chaussure
porté contrairement à ce qui se fait habituellement ou seules des chaussures plates sont utilisées.
Pour les essais, chaque individu fait 4 passages sur la dalle et le nombre de pas effectué est compté
par un observateur indépendant. Le Tableau 7 donne les caractéristiques principales des individus et
les résultats issus de l’observateur et des données de la dalle. Globalement le comptage des pas est
satisfaisant puisque 86 pas ont été perçus par la dalle contre 79 effectués réellement (moins de 10 %
d’erreur). En ne prenant en compte que les résultats pour les chaussures plates, l’erreur de
comptage commise est de 4 %. En comparaison le système commercial leader InstantCounting3
revendique un taux d’erreur de ± 5 %.
Tableau 7 : Caractéristiques des individus du panel et données expérimentales [20]
Le suivi des individus nécessite d’individualiser les marcheurs. Ainsi AGRAWAL Tarun Kumar a conclu
de ses investigations que l’extraction de 7 « marqueurs » des données issues de la dalle pourrait
suffire. Ces 7 « marqueurs » sont :
o La valeur moyenne du signal des capteurs durant la marche (reliée à la masse de l’individu) ;
o L’intervalle de temps entre la pose du talon et la levée de la pointe du pied (indication sur la
vitesse et le type de chaussure) ;
o L’intervalle de temps entre 2 pas (indication sur la vitesse) ;
o La valeur maximale du signal des capteurs durant la marche ;
o La valeur minimale du signal des capteurs durant la marche ;
o La longueur du pas ;
o La largeur du pas.
3 http://www.instantcounting.com/
88
L’utilisation et le test de ces marqueurs n’ont pas été encore totalement mené à bien mais, la valeur
moyenne du signal, la longueur du pas et la valeur minimale du signal semblent être les paramètres
les plus influents en menant une étude en analyse en composantes principales (ACP) sur 15 autres
individus en plus des 8 initialement testés [20].
2.3.3 Coût du dispositif
La maîtrise du coût du dispositif est un aspect du projet pris en compte dès le choix des matériaux et
de la structure de la dalle. Le fait de travailler avec des produits commerciaux et non développés
spécifiquement pour cette application permet d’avoir un coût estimé de la dalle de 22 €/m². Ce coût
ne comprend que le coût matière (sans la main d’œuvre pour l’assemblage) mais tient compte de
l’électronique d’acquisition basée sur un Arduino Méga 2560 capable de gérer 8 m² de dalle. Comme
le montre le Tableau 8, comparativement à d’autres études menées sur des systèmes similaires, ou
par rapport à des produits commerciaux, la dalle développée est bien positionnée.
Tableau 8 : Comparaison de différents revêtements de sol intelligents [20]
2.4 Conclusion
Les études menées sur la thématique du monitoring des déplacements par un revêtement de sol
nous ont à la fois permis de travailler sur les structures textiles en utilisant au mieux des matériaux
aux propriétés intéressantes pour l’application visée (piezorésistivité) et aussi de travailler sur la
chaîne d’instrumentation et le traitement des données.
Les premiers résultats montrent que la dalle développée, dans un coût très maitrisé, permet avec
une assez bonne précision de détecter la marche d’individus quel que soit le type de chaussures. Des
89
développements futurs devraient permettre d’individualiser des marcheurs par l’utilisation, au
maximum, de 7 « marqueurs » déjà identifiés.
Les activités sur le développement d’une dalle pour le monitoring des déplacements ont été
valorisées par 2 publications [20], [39], 1 conférence [75] et 1 communication par affiche [98].
3 Les capteurs d’allongement pour tissu / film
3.1 Introduction
L’instrumentation des structures textiles légères pour évaluer leurs allongements et déformations est
un sujet assez ancien investigué dans les années 70 et 80 pour les militaires et la NASA. Une première
série de travaux visait à utiliser des jauges de contraintes classiques, mais montées de manière
astucieuse, en oméga par exemple, pour avoir accès aux déformations locales d’une voilure de
parachute soumis à des vents relatifs imposés en soufflerie[130], [131]. Plus tard, dans les années 80
– 90, l’apparition sur le marché de capteurs fibres optiques a permis de relancer les mêmes types
d’essais avec l’obtention de résultats plus fiables en terme de déformations subies par la voilure
[132]. Du fait de la non souplesse et de la non pliabilité des capteurs, ces deux technologies sont
assez limitantes car elles ne donnent accès qu’à la déformation de la voilure une fois déployée. Ainsi,
il est impossible de mesurer les déformations lors de l’extraction du parachute du sac et lors du
gonflement de la voile par exemple.
La fin des années 90 a vu les premiers travaux sur la possibilité de l’emploi des Composites
Polymères Conducteurs (CPC) et des Polymères Conducteurs Intrinsèques (PCI) pour en faire des
capteurs de déformations souples, voir textiles, pour des applications autour du vêtement [133],
[134]. Ces travaux valident les concepts, ou montrent la faisabilité, et participent à l’explosion de la
thématique « textiles intelligents » (2000 – 2005).
C’est dans ce contexte qu’ont débuté en 2004 les travaux sur le développement de capteurs pour les
mesures de déformation de voilure de parachute pour la DGA, puis de film enveloppe de Ballon
Stratosphérique Ouvert (BSO) pour le CNES. Ces travaux ont été l’objet de la thèse et de l’ATER de
COCHRANE Cédric, ont permis l’encadrement de trois Master (BELLONCLE Julien, ZHANG Yi et
NICOLLE Simon) et l’embauche de deux ingénieurs d’études (EL-ZEIN Alexandra et HUPPE Camille)
dans le cadre de contrats privés.
Le recensement, la compréhension puis la prise en compte des contraintes d’usages spécifiques des
capteurs pour ces deux applications aéronautiques ont été des points déterminants. Ainsi, compte
tenu de la légèreté des supports (toile de parachute Polyamide 6.6, 45 µm d’épaisseur, 42 g/m² de
masse surfacique ; enveloppe de BSO, Polyéthylène Basse Densité, 15 à 25 µm d’épaisseur), un des
axes majeurs de travail a été de minimiser l’influence de la présence du capteur sur la mesure
(finesse). Il en va de même pour les autres contraintes telles que le pliage et stockage, l’humidité, la
90
température, le temps d’utilisation et de mesure etc…qui ont guidés nos choix techniques et nos
investigations.
Dans une première partie, les matériaux et leurs mises en œuvre pour en faire des capteurs
d’allongement seront décrits. Puis, nous rapporterons les différents résultats obtenus par les
dispositifs mis en place.
3.2 Matériaux et mise en œuvre
Les travaux ont toujours porté sur l’utilisation de CPC en tant que capteur piezorésistif. Par contre,
deux types de charges conductrices ont été employées : les noirs de carbone et les PCI. Cette partie
décrit la conception des capteurs à partir de ces deux matériaux.
3.2.1 Généralités sur les CPC
Les CPC résultent, au minimum, du mélange d’un polymère matrice et d’une charge conductrice.
L’incorporation de charges conductrices dans une matrice polymère isolante permet d’obtenir des
matériaux conducteurs électriques, de faible densité et de mise en œuvre assez aisée. Quatre
familles de charges conductrices peuvent être distinguées, les carbonées (graphites, noirs de
carbone, nanotubes de carbone, fullerènes, graphènes etc.), les métalliques (cuivre, argent, nickel,
acier inoxydable etc…), les oxydes / sulfures (CuS, ITO etc.) et les PCI (PANI, PEDOT, PPy etc.). A la vue
de nombreuses études menées pour toutes sortes d’applications, le meilleur compromis entre la
commodité d’usage, le prix, et la performance va aux charges carbonées et aux PCI. Ce qui va
distinguer en premier lieu ces charges sont la morphologie (distribution des tailles, rapport de forme,
ramification, surface spécifique etc…), l’énergie de surface (i.e affinité avec les autres charges et/ou
la matrice) et la conductivité intrinsèque du matériau qui les constitue.
Le choix de la matrice (thermoplastique, thermodurcissable ou élastomère) va avoir une influence
prépondérante sur les caractéristiques mécaniques et électriques finales du CPC. Mais la méthode
(polymérisation in-situ, voie fondue ou voie solvant) et les conditions de mélange (température,
temps, taux de cisaillement, adjuvants etc…) vont également avoir une importance en affectant la
dispersion des charges.
Un autre aspect à prendre en compte est la concentration de percolation des systèmes CPC. En effet
l’addition d’une charge conductrice à une matrice isolante ne fait pas diminuer sa résistivité de
manière linéaire. Pour que le CPC soit conducteur, il faut que la concentration volumique de charge
dépasse une quantité seuil appelée seuil de percolation φc (Figure 35). Quand le taux de charge est
faible (<φ1) la résistivité du composite est proche de la résistivité du polymère matrice (ρm). Le
nombre de contacts entre les particules conductrices n’est pas suffisant pour assurer le passage du
courant (région I). Pour des taux de charge intermédiaires (entre φ1 et φ2), la probabilité de contact
est très importante et il y a apparition de chemins de conduction ce qui s’accompagne d’une
diminution brusque de plusieurs ordres de grandeurs de la résistivité. Cette région II est appelée seuil
91
de percolation et la valeur retenue, entre φ1 et φ2, pour le qualifier diffère selon les auteurs [135].
Au-delà de φ2 (région III), la résistivité diminue encore mais de manière plus douce et linéaire.
Figure 35 : Evolution de la résistivité électrique d’un CPC en fonction de la concentration volumique
de charge [136]
Plusieurs modèles existent pour décrire le phénomène de percolation d’un système mais le plus
simple et le plus employé demeure le modèle initial de KIRKPATRICK [137] (Équation 7) même s’il est
uniquement basé sur des aspects géométriques et décrit donc assez mal les systèmes réels
complexes en ne prenant pas en compte les forces interfaciales, les géométries complexes des
charges etc…
Équation 7
Avec : ρ0 (Ω.m), la résistivité macroscopique des charges ; φc, la concentration volumique de charges
à la percolation et t, l’exposant critique.
Pour le développement de capteur, nous recherchons à ce que la résistivité électrique du matériau
soit sensible à la grandeur à mesurer. Or, dans les CPC, cette sensibilité est exacerbée entre φc et φ2
(Figure 35) puisque dans cette région, de petites variations de dimensions, notamment, vont
statistiquement ouvrir une grande proportion de chemins conducteurs et faire varier brusquement,
de plusieurs ordres de grandeur, la résistivité électrique. C’est, entre autre, cette grande sensibilité
qui est recherché et exploitée par l’usage des CPC dans le domaine des capteurs. De manière
pratique, des concentrations φ2 ou légèrement supérieures sont recherchées car elles produisent des
capteurs plus reproductibles et dont la résistance initiale est plus en accord avec les possibilités des
chaînes d’acquisitions. Des matériaux avec des concentrations de charges largement supérieures à φ2
peuvent également être utilisés. Dans ce cas, le comportement électromécanique du matériau se
92
rapprochera des jauges classiques (effet géométrique et coefficient de poisson) en bénéficiant moins
de l’effet de percolation.
Pourtant, l’ajout de charges à une matrice polymère a un effet renfort qui globalement rigidifie le
système (augmentation du module d’Young, diminution de la zone élastique et de l’allongement à la
rupture etc..). Ainsi, pour le développement de capteurs mécaniques pour structures souples, nous
chercherons toujours un bon compromis entre concentration de percolation et comportement
mécanique du CPC. Ce biais peut-être en parti résolu par l’usage d’un composite polymère /
polymère lorsque des charges PCI sont utilisées dans le CPC.
3.2.2 Elaboration du matériau capteur à base de noir de carbone
En ce qui concerne la matrice, des études préliminaires nous ont orientées vers les élastomères
thermoplastiques (TPE) pour l’étendue de leur domaine élastique et leur facilité de mise en œuvre.
Ainsi, nous avons sélectionné un Styrène-Butadiène-Styrène (SBS) commercial, l’Evoprene® 007
(AlphaGary, appelé EVO ci-après) dont les caractéristiques principales sont données dans le Tableau
9.
Tableau 9 : Caractéristiques générales de l’Evoprene® 007
Des analyses thermogravimétriques (ATG) et en microanalyse EDS (Energy Dispersive Spectroscopy)
ont mis en évidence la présence de 30 wt.-% (13 vol.-%) de carbonate de calcium (CaCO3) dans
l’Evoprene® 007 [136]. Ce type de charge est fréquemment utilisé pour augmenter la résistance aux
UV et au feu des produits.
L’unique charge carbonée que nous avons utilisée est le Printex ® L6 (Degussa). Ce matériau a été
sélectionné car il était déjà employé dans des formulations conductrices (encres et enduction) et il
possède une surface spécifique intermédiaire (
Tableau 10) qui laisse envisager un seuil de percolation avantageux et un usage facile notamment du
point de vu de la dispersion.
Tableau 10 : Caractéristiques du Printex ® L6
93
Dans l’optique de son intégration sur des supports souples, nous avons souhaité réaliser le matériau
CPC capteur en voie solvant. Néanmoins pour quantifier l’impact de la voie solvant sur le
comportement électrique mais aussi le comparer à d’autres études, nous avons réalisé des CPC en
voie fondue et en voie solvant avec des taux de noir de carbone (CB) identiques (0,0, 3,6, 5,4, 7,3,
9,2, 11,1, 15,0, 19,1, 23,3 et 27,6 vol.-%) [136].
Pour la voie fondue (composites appelés EVO/CB M), un malaxeur ThermoHaake Rheomix 600 a été
utilisé. L’EVO est introduit et fondu à 180°C pendant 1 minute puis le CB est ajouté. Le tout est
mélangé pendant 14 minutes à 40 rpm puis pressédans un moule pour obtenir une plaque de 1 mm
d’épaisseur.
Pour la voie solvant (composites appelés EVO/CB S), l’EVO et le CB sont introduits dans le
chloroforme (5 ml/g de CPC final) puis le tout est chauffé à 55°C pendant 5 heures sous agitation
magnétique. Pour la caractérisation électrique, à l’issu de ce temps, le CPC liquide est versé dans un
cristallisoir pour faire évaporer le solvant et récupérer, après 24 H, le CPC solide qui est pressé sous
forme de plaque de 1 mm d’épaisseur.
Pour toutes les plaques préparées, les mesures des dimensions et de la courbe I/V donnent accès à la
résistivité des CPC préparés selon les deux voies (Figure 36).
Figure 36 : Résistivité électrique en fonction du taux de charge pour les CPC (EVO – CB) préparés en
voie fondue (EVO/CB M) et en voie solvant (EVO/CB S) [3]
La Figure 36 montre clairement le comportement attendu (Figure 35) pour les composites obtenus
en voie fondue et solvant. Dans les 2 cas, le seuil de percolation (point d’inflexion) φc est identifié à
7,3 vol.-% et φ2 autour de 12 vol.-%. Un léger avantage est constaté en terme de résistivité pour les
composites obtenus en voie solvant. Néanmoins, les résistivités obtenues sont globalement
94
importantes même pour les taux de charge élevés et nous notons, au-delà de 24 vol.-%, une
diminution encore importante de celle-ci. Pour une application capteur (avec une chaine de mesures)
utilisant l’effet piezorésistif, il est nécessaire d’avoir un composite ayant une résistivité électrique
assez basse. Ainsi avec les partenaires du projet, nous avons fixé une valeur plafond de résistivité à
30 Ω.m (1,5 log(Ω.m)). Cette contrainte nous oblige à employer des composites contenant au moins
27 vol.-% de CB (35 wt.-%).
3.2.3 Elaboration du matériau capteur à base de PCI
Les études pour lesquelles nous avons développé des CPC à base de PCI portaient sur le
développement de capteur, d’allongements pour film LDPE pour des applications aéronautiques.
Ainsi, une matrice silicone bi-composante à base aqueuse (Bluesil ® TCS 7110 A&B, Bluestar Silicone)
a été sélectionnée pour sa bonne adhésion sur substrat polyéthylène, sa capacité à former des films
imperméables minces et ses propriétés mécaniques (souplesse) conservées jusqu’à des
températures de -20°C4.
Pour ces travaux, l’unique charge PCI que nous avons utilisée est une dispersion commerciale de
PEDOT:PSS de chez Heraeus (Clevios 105D). Cette solution est prévue pour former des dépôts minces
et très conducteurs sur des substrats plastiques. Les propriétés de la dispersion commerciale et sa
composition sont données à la
Figure 37. La fiche technique5 indique que l’accroche sur substrat plastique peut-être améliorée par
traitement plasma.
Figure 37 : Propriétés et composition de la dispersion Clevios 105D (Heraeus) 5
La dispersion commerciale Clevios 105D est très liquide et pauvre en PEDOT:PSS puisque le « solid
content » est de 1,2 % (Figure 37). Le fait de réaliser un CPC à partir de cette solution, n’augmente
pas toujours assez la viscosité. Ainsi, pour atteindre, à partir de cette solution commerciale, des
viscosités plus importantes, un protocole visant à modifier la solution a été mis au point. KELLY Fern
et EL-ZEIN Alexandra ont proposé de chauffer la solution à 90°C sous agitation pour lui faire perdre,
4 https://silicones.elkem.com/EN/our_offer/Product/90030838/90050990/BLUESIL-TCS-7110-A, Avril 2018
5 https://www.heraeus.com/media/media/group/doc_group/products_1/conductive_polymers_1/
p/Clevios_P_coating_guide.pdf, Avril 2018
95
par évaporation de l’isopropanol et de l’eau contenue dans le Clevios TM P, 76,6 % de sa masse. Cette
solution plus visqueuse et plus « concentrée », à 5,12 % en « solid content », peut ensuite être
mélangée à la matrice silicone pour obtenir des CPC.
Le CPC liquide (non réticulé) est obtenu en mélangeant, pendant 5 minutes, la solution Clevios 105D
modifiée avec la partie A du silicone Bluesil ® TCS 7110 Bluestar, puis en ajoutant et mélangeant la
partie B encore pendant 5 minutes. La proportion utilisée est 10 parts de A pour 1 part de B
conformément à la fiche technique du fabricant. Malgré le fait que les solutions soient toutes
aqueuses, une importante inhomogénéité du CPC est constatée même sous forte agitation.
Néanmoins, des CPC contenants de 5 à 90 wt.-% de PEDOT:PSS (i.e. « solid content ») sont préparés
pour enduire sélectivement des films de LDPE grâce à la table d’enduction développée pour le projet
(chapitre 3.2.4). Pour toutes les enductions préparées, les courbes I/V donnent accès à la résistance
électrique des CPC préparés (Figure 38).
Figure 38 : Résistance électrique en fonction du taux de charge pour le CPC (Silicone - PEDOT:PSS)
[19]
La Figure 38 montre un comportement qui ressemble à une courbe de percolation (Figure 35), même
si ici le saut de résistance (Log R (Ω)) visible entre 5 et 10 wt.-% a une amplitude inférieure à un ordre
de grandeur. Cette faible amplitude laisse penser que le seuil de percolation φc est inférieur à
5 wt.-% et que ce pourcentage de charges correspond aux environs de φ2 (Figure 35). Cette
hypothèse est confortée par les travaux de ÅKERFELDT Maria qui a également montré un
comportement de type « percolation » pour un système CPC à base de PEDOT:PSS (matrice
polyuréthane) mais aussi que pour son système la percolation φc intervenait autour de 2,0 wt.-%
[138].
Pour le développement de capteur d’allongement, nous avons choisi d’utiliser un CPC (silicone -
PEDOT:PSS) contenant 15 wt.-% de charge. Cette formulation allie (i) une bonne conductivité,
nécessaire à l’adaptation de la chaîne de mesures, (ii) une relative proximité avec le seuil de
percolation, permettant d’espérer une bonne sensibilité du matériau et (iii) un taux de silicone
important assurant une bonne accroche sur support lisse (film LDPE notamment).
96
3.2.4 Mise au point de la table d’enduction et réalisation des capteurs
Que le CPC initial sous forme de solution soit à base de CB ou de PCI, il peut être mis en œuvre de la
même façon. Pour faciliter le transfert technologique, nous avons mis au point une table d’enduction
portable (Figure 39) permettant le dépôt de pistes CPC de dimensions contrôlées sur des supports
fins de grandes dimensions (parachute ou BSO). Cette table est conçue à partir de deux
électroaimants (ventouses) permettant, à la demande, de maintenir un masque métallique (acier),
contenant le motif, sur le support à enduire. Le choix de l’épaisseur du masque métallique et des
dimensions découpées permet d’adapter le dessin du capteur au besoin de mesure. Le choix de
l’épaisseur du masque doit tenir compte du retrait du matériau provoqué par l’évaporation du
solvant utilisé pour la mise en œuvre.
Figure 39 : Schéma de la table d’enduction développée
Les différents travaux menés [136], [9], [19], [139] nous ont permis de développer une procédure de
préparation des capteurs comprenant 4 étapes :
o Préparation du support
La première étape consiste à vérifier, au minimum, que la surface sur laquelle va être positionné le
capteur n’est pas endommagée, est propre et plane. Cette étape de préparation peut aussi consister
à modifier la surface du support pour favoriser l’accroche du CPC. Ainsi dans le cas de dépôts de CPC
à base de PCI sur LDPE (hydrophobe), un traitement plasma atmosphérique (500 W à 4 m/min)
permet d’hydrophiliser la surface et d’augmenter les interactions entre celle-ci et les futurs dépôts
comme l’a montré El-Zein Alexandra [19].
o Enduction du CPC
Le support sur lequel le capteur doit être placé est positionné sur la table d’enduction et recouvert
du masque adéquat pour ce qui est du dessin. Une petite quantité de la solution est versée à une
extrémité puis raclée à la lame pour remplir le motif. Le masque est ensuite retiré et on procède au
séchage du CPC soit à température ambiante (cas des solvants volatils) soit sous air chaud ou IR (cas
97
des solvants moins volatils). Bien entendu, un travail amont est nécessaire pour formuler le CPC
(chapitres 3.2.2 et 3.2.3) en vue d’obtenir, notamment, (i) la viscosité adéquate pour l’enduction en
sélectionnant le solvant (et son taux) et le polymère matrice et (ii) le comportement
électromécanique souhaité en choisissant la nature de la charge conductrice, son taux etc.
o Pose des connectiques
Les enductions de CPC réalisées sont fines, légères et parfaitement intégrées aux surfaces desquelles
elles doivent mesurer les déformations [19], [139]. Néanmoins ces enductions doivent être
connectées à la chaîne d’acquisition pour réaliser les mesures. Cette liaison textile-électronique ou,
au moins, souple-électronique est un champ d’investigation très important dans le domaine des
textiles intelligents en général [140]. C’est un sujet de recherche encore plus important quand il
s’agit du domaine des textiles intelligents liés à l’habillement puisqu’ils sont soumis à des contraintes
beaucoup plus importantes notamment à cause du lavage et du confort.
Pour nos applications liées à l’aéronautique, les connectiques mises au point sont basées sur
l’utilisation du fil en acier inoxydable (2 x 275 x 12 μm) de Bekintex® et des CPC développés. Le fil
conducteur est « ouvert » et maintenu en patte d’oie sur l’enduction CPC (sèche) puis une goutte (ou
plus) de CPC liquide est déposée sur le fil pour coller le tout. La viscosité du CPC peut être adaptée
pour avoir un maximum de contact entre les filaments d’inox et le CPC. Suivant les besoins, il est
possible d’ajouter plus ou moins de matière en une ou plusieurs étapes. Ce système de connectiques
à lui seul ne suffit pas et souffre de problèmes de fiabilité. Il assure un bon contact électrique mais
peut être renforcé mécaniquement par le dépôt d’une couche protectrice (voir étape suivante).
Pour la majorité de nos applications le fil d’acier inoxydable ne mesure que quelques centimètres et
est ensuite serti à du fil de cuivre (plus conducteur) gainé voir blindé.
o Dépôt d’une couche protectrice
Cette dernière étape est nécessaire dans la majorité des applications pour lesquelles nous avons mis
au point des capteurs mécaniques. En effet, les CPC sont développés pour produire des capteurs de
grande finesse, il en résulte que les matériaux ne sont pas optimisés pour résister à l’abrasion par
exemple (manque de dureté).
Deux types de protections sont maitrisés, l’une à base de Latex et l’autre à base de Silicone. La
protection à base de Latex (Appretan 96100 par exemple [3]) est mise en place sur le capteur (et les
connectiques) par pulvérisation puis séchée. Un masque permet de délimiter la zone recouverte. La
visée de cette protection est uniquement mécanique puisque l’homogénéité du dépôt ne permet pas
de garantir une imperméabilité à l’eau. L’absence d’influence mécanique (sur le Module d’Young et
la zone élastique) de cette couche de protection a été vérifiée [136]. Cette approche permet surtout,
grâce à l’épaisseur très fine du dépôt et l’élasticité importante du Latex, de préserver la flexibilité des
textiles. Dans le contexte d’une application aéronautique (pour parachute) ce type de protection a
prouvé son efficacité lors d’essais en vols (Figure 40).
98
Figure 40 : Nombre de capteurs fonctionnels (sur voilure de parachute) après pliage et 3 essais en vol
successifs
Dans d’autres contextes d’applications, des fonctionnalités peuvent être ajoutées au dépôt. Par
exemple, pour le développement de capteurs pour l’enveloppe de BSO, les fonctions du dépôt
étaient multiples, à savoir : isoler électriquement le montage, protéger le capteur des frottements,
isoler le capteur de l’humidité, protéger le capteur des UV…Le tout dans un environnement de
température (-60°C / 40°C) qui interdit l’usage de matériaux mis en œuvre en voie aqueuse. Dans ce
cas précis, l’usage d’un silicone chargé anti UV (TiO2) mis en œuvre en utilisant la table d’enduction
précédemment décrite (avec des masques adaptés) a été utilisé [19]. Des mesures thermo-optiques
réalisées par le CNES ont montré que l’utilisation de cette protection anti UV multipliait par 18,5 la
réflectance [141] évitant ainsi une trop grande absorption de rayonnement par le capteur et donc un
échauffement ou une potentielle dégradation de celui-ci. Des tests mécaniques permettent
également de vérifier que la présence du dépôt de protection n’influence pas, ou très peu, le
comportement du support (Figure 41) ce qui préserve la finesse des capteurs développés.
Figure 41 : Courbes force / allongement pour le support seul et le support avec dépôts de protection
silicone [141]
● Support seul
● Support + dépôt 75 µm
● Support + dépôt 150 µm
99
3.3 Caractérisation des capteurs
3.3.1 Capteurs réalisés
Dans le cadre des travaux menés autour de l’instrumentation de voilure de parachute (tissu de
polyamide 6.6), les capteurs sont réalisés à partir de CPC noir de carbone (27 vol.-%) avec une
matrice EVO en voie solvant (Chloroforme) (voir chapitre 3.2.2, page 92). Le capteur, en lui-même,
est formé d’une piste conductrice de dimensions 80 mm × 2 mm × 16 µm connectée à la chaîne de
mesures par 2 fils en acier inoxydable et protégée par un dépôt de latex (environ 30 µm). Des vues
d’ensembles et un schéma en coupe sont présentés à la Figure 42.
Figure 42 : Vues d’ensembles et schéma en coupe du capteur pour voilure de parachute [136]
Pour les études se rapportant aux BSO avec le CNES, EL-ZEIN Alexandra et HUPPE Camille ont adapté
la précédente structure aux deux substrats que le partenaire souhaitait instrumenter. Le substrat 1
est uniquement constitué de LDPE (25 µm d’épaisseur) et le substrat 2 est constitué de deux films de
LDPE thermo-soudés renforcés pendant l’assemblage par 4 rubans de PET.
Le CPC est réalisé à partir d’une solution de PEDOT:PSS commerciale (Clevios F010), que EL-ZEIN
Alexandra a modifié pour augmenter la concentration en PEDOT:PSS [19], à laquelle est ajouté une
matrice silicone bi-composant (Bluesil TCS 7110) dans une proportion 15/85 en masse,
respectivement. La piste conductrice a pour dimension 100 mm × 10 mm et est connectée à la chaîne
de mesures par 2 fils en acier inoxydable et protégée par un dépôt de silicone chargé anti UV
d’environ 150 µm d’épaisseur (Figure 43).
100
Figure 43 : Schéma du capteur sur (a) film LPDE et (b) films LDPE renforcés par des rubans de PET [19]
3.3.2 Facteurs de jauge
Les capteurs sont mis en place sur des éprouvettes de dimensions standards (50 mm x 200 mm entre
les mors) et raccordés à une chaine d’acquisition. Celle-ci se compose simplement d’un pont diviseur
de tension et d’un boitier KUSB3100 (Keithley) qui alimente également le système sous 5V. Les
enregistrements sont généralement effectués à 1000 Hz. L’éprouvette est sollicitée en traction sur
un banc classique du type MTS 2/M avec des vitesses variables selon l’étude. A partir des valeurs
initiales du montage (résistance initiale du capteur, de la résistance du pont et de la tension
d’alimentation) et des valeurs acquises par le boitier KUSB3100, nous exprimons la variation de
résistance (Résistance relative, Rr) du capteur selon l’Équation 8.
Équation 8
Avec : R, la résistance électrique mesurée à chaque instant et Ri la résistance électrique initiale du
capteur.
En exprimant cette variation relative de résistance en fonction de l’élongation exprimée en
(mm/mm, ɛr), la pente de la courbe donne accès au facteur de gauge (K, Équation 9) du capteur qui
est un paramètre essentiel puisqu’il indique la « sensibilité » du capteur. Un enregistrement complet
de Rr en fonction de l’élongation appliquée à une éprouvette de voilure de parachute (PA6.6)
équipée d’un capteur est présenté à la Figure 44 (16 mm/min). Le capteur a fourni une mesure
jusqu’à rupture du tissu à 45 % d’allongement [3].
101
Figure 44 : Résistance électrique normalisée d’un capteur CPC (EVO – CB) sur toile de parachute en
fonction de son élongation (jusqu’à rupture de l’éprouvette) [3]
Équation 9
Sur l’ensemble des données, le facteur de jauge moyen (K, Équation 9) est d’environ 66. Cette valeur
est très élevée comparé aux jauges métalliques ou en alliages classiques ou elle ne dépasse pas 4,1
[142][143]. La valeur est comparable à celle obtenue pour des jauges à base de semi-conducteur
[143] et peut s’expliquer par, bien sûr, le changement de géométrie du capteur lorsqu’il est étiré
(mise à profit du rapport de forme du capteur (piste de 80 mm × 2 mm)) mais surtout par l’usage de
CPC. En effet, le réseau initialement percolé (et donc conducteur) évolue avec l’allongement et
exacerbe le changement de résistance globale du matériau.
Dans le cas de l’étude de petits allongements, le comportement de la résistance électrique envers
l’élongation n’est pas linéaire (en dessous de ɛr = 0,15 par exemple sur la Figure 44). Ainsi, nous
avons choisi de modéliser les données avec l’Équation 10.
Équation 10
Ce modèle nous a permis d’étudier l’influence de la vitesse de sollicitation sur la sensibilité (facteur
de jauge, K) en modélisant parfaitement les données jusqu’à 10 % d’allongement (ɛ = 0,1, zone
particulièrement intéressante pour l’application voilure de parachute). Pour cela des tests similaires
à ceux présentés à la Figure 44 sont effectués avec des vitesses de traction différentes (de
16 mm/min à 1000 mm/min, Figure 45). A partir de ces courbes, sont extraits les paramètres r et p
(Équation 10) et pour comparaison des facteurs de jauge « moyens » (Km) pris entre 0 et 4 %
(ɛ = 0,04) et 0 et 10 % (ɛ = 0,1) d’allongement. Les données sont présentées dans le Tableau 11.
102
Figure 45 : Résistance électrique normalisée de capteurs CPC (EVO – CB) sur toile de parachute en
fonction de l’élongation pour différentes vitesses de sollicitation [136]
Jusqu’à 4 % d’allongement, nous ne notons pas d’effet significatif de la vitesse de traction sur la
sensibilité des capteurs. Au-delà, la sensibilité augmente avec la vitesse. Une vitesse plus élevée
limite les effets de relaxation ou de réorganisation des chaines polymères et des particules au sein du
CPC.
Tableau 11 : Paramètres r et p (Équation 10), et facteurs de jauge moyens en fonction de la vitesse de
sollicitation des capteurs [136]
Le Tableau 11 soutient ce qui est visible sur la Figure 45, à savoir que le facteur de jauge moyen à 4 %
n’est pas affecté par la vitesse de sollicitation. Par contre, r et p sont sensibles à la vitesse surtout
pour les vitesses « élevées ». Cependant les vitesses ici utilisées sont en deçà de celles rencontrées
lors de l’utilisation réelle des parachutes. En utilisant une courbe d’étalonnage à plus faible vitesse
qu’en réalité, nous surestimerons l’allongement réel.
Le comportement électromécanique de 6 capteurs CPC à base de PEDOT:PSS est présenté à la Figure
46. Le facteur de gauge moyen (K, entre 0 et 5 %) est de 6,9. Il est très difficile de comparer cette
valeur à la littérature ou les valeurs de K annoncées vont de 0,5 à 20 [144][145] en fonction des
produits commerciaux utilisés, des additifs (souvent nanoparticules d’argent) et des méthodes de
103
dépôt ou greffage sur le substrat. La Figure 46 montre cependant une mauvaise reproductibilité du
comportement et une non linéarité du phénomène comme dans le cas des CPC (EVO – CB).
Figure 46 : Résistance électrique de 6 capteurs CPC (silicone – PEDOT :PSS) sur film en fonction de
l’élongation [19]
L’Équation 10 est également utilisée pour modéliser les données obtenues. Pour tous les capteurs p
est déterminé autour de 1,5 alors que r varie de 15 à 45 (moyenne à 29). Cette dispersion importante
de r rend compte de la non homogénéité des capteurs entre eux [19]. Cette non reproductibilité est
attribuée à l’inhomogénéité du CPC (Silicone – PEDOT :PSS) constatée lors de la préparation du
matériau (chapitre 3.2.3, page 94).
3.3.3 Grandeurs d’influences
Les applications visées des capteurs développés sont pour le domaine aéronautique et donc dans un
contexte d’utilisation en milieu ouvert. Ainsi, nous avons mené des campagnes de mesures pour
déterminer l’influence des paramètres extérieurs non contrôlés comme la température et l’humidité
relative sur le comportement électrique de nos capteurs.
Pour déterminer l’influence de l’humidité, les premiers tests consistent en un stockage des capteurs
en atmosphère non contrôlée et en un relevé journalier de l’humidité relative et de la résistance
électrique des capteurs. Les mesures sont effectuées sur 170 jours pour les capteurs CPC (EVO – CB)
sur tissu de polyamide 6.6 (Figure 47) et sur 85 jours pour les capteurs CPC (silicone – PEDOT:PSS) sur
film de LDPE (Figure 48). Les résistances sont exprimées en résistances relatives conformément à
l’Équation 8.
104
Figure 47 : Evolution de la résistance électrique relative des capteurs CPC (EVO – CB) sur tissu de
polyamide 6.6, sur 170 jours et relevé de l’humidité relative [139]
Figure 48 : Evolution de la résistance électrique relative des capteurs CPC (silicone – PEDOT:PSS) sur
film LDPE, sur 85 jours et relevé de l’humidité relative [146]
Dans les deux cas, l’influence de l’humidité relative est clairement visible, les courbes de relevés de
résistances et d’humidités se superposent. Il ne semble par ailleurs pas avoir eu de dérive temporelle
(pas de vieillissement du capteur) sur ces durées. Le fait que l’humidité ait un impact sur les capteurs
CPC (EVO – CB) était attendu puisqu’ils sont déposés sur tissu (poreux) et que l’enduction protectrice
mise en œuvre n’a qu’un rôle de protection mécanique (Chapitre 3.2.4, page 96). Par contre, les
capteurs CPC (silicone – PEDOT:PSS) sont déposés sur film LDPE et sont protégés par une enduction
silicone ce qui pouvez présumer d’une relative protection (et donc insensibilité) à l’humidité relative.
Le constat est que pour les deux types de capteurs, les matériaux supports et les couches de
protections sont poreux. De plus, les points de connectiques constituent des points d’entrée pour
l’humidité. Par contre, les mesures présentées Figure 47 et Figure 48 ne permettent pas de juger de
la dynamique du phénomène (mesures quotidiennes) ni de la sensibilité des capteurs CPC (EVO – CB)
et CPC (silicone – PEDOT:PSS) envers l’humidité relative (car facteur non contrôlé).
105
Pour des capteurs CPC (EVO – CB), nous avons appliqué un échelon d’humidité. Pour cela, deux
capteurs sont placés dans un dessiccateur initialement hermétiquement fermé et sec de 0,75 dm3 au
centre d’une enceinte climatique de 206 dm3 réglée sur 40°C et 98 %HR. A t = 0, le dessiccateur est
ouvert et les capteurs passent d’une atmosphère sèche à 98 %HR. La Figure 49 présente les
résistances électriques relatives mesurées pour 2 capteurs CPC (EVO – CB) subissant cet échelon.
Figure 49 : Réponse de 2 capteurs CPC (EVO – CB) à un échelon d’humidité relative (atmosphère
sèche à 98 %HR)[136]
Le temps de retard à la montée (ou délai à la montée, tdm : temps nécessaire pour que la résistance
électrique croisse, à partir de sa valeur initiale, de 10% de sa variation totale) se situe entre 0,7 et 1,0
min. Ce temps de réponse est très rapide. En revanche, le temps nécessaire à la stabilisation totale
est assez long. Puisque le temps de montée (tm : intervalle de temps correspondant à la croissance
de la résistance électrique de 10 % à 90 % de sa valeur totale) de tous les capteurs se situe entre 10
et 20 min. La rapidité du phénomène est attribuée à 3 facteurs : (i) la finesse de la piste conductrice
constituant le capteur (16 μm), (ii) la concentration en noir de carbone très supérieure à la
concentration de percolation et qui fait que tout le réseau de particules est accessible à l’humidité
depuis la surface et (iii) la porosité du support et de l’enduction de protection. La résistance
électrique augmente de 70 % quand l’atmosphère passe de « sec » à 98 % d’humidité relative ce qui
représente une variation très importante. Cette augmentation de résistance est attribuée à
l’expansion du CPC par absorption de l’humidité ici au travers du réseau CB. Ce phénomène est
connu et exploité dans le cadre du développement de CPC capteur de solvants [147][148].
Pour déterminer la sensibilité des capteurs CPC (EVO – CB) envers l’humidité relative, ceux-ci sont
placés en enceinte climatique à température constante (de 10 à 50°C) puis l’humidité varie par palier
de 150 minutes entre les bornes minimum et maximum permises par la machine. Les résistances
électriques sont mesurées et exprimées en résistances relatives conformément à l’Équation 8 et
présentées à la Figure 50.
106
Figure 50 : Résistance électrique relative des capteurs en fonction de l’humidité relative pour
différentes températures [3]
Deux régions sont distinguables ; Une première pour des taux d’humidité strictement inférieurs à
50 %HR, où l’humidité relative semble avoir peu ou pas d’influence sur la résistance électrique du
CPC. Une seconde, au-dessus de 50 %HR où la sensibilité de l’humidité relative envers la résistance
électrique est d’environ 0,006 point de Rr par point de HR (soit 0,6 % de variation de résistance par
point de HR). Cette sensibilité importante peut induire des erreurs de mesure sur l’allongement si
des fortes variations d’humidité relative ont lieu durant la mesure.
En ce qui concerne la détermination de l’influence de la température sur les capteurs CPC (EVO – CB),
ceux-ci sont séchés au dessiccateur puis placés en enceinte climatique pour appliquer des variations
de températures sur la plage -60°C / 120°C par palier de 10°C pendant 1h30. Les mesures de
résistances normalisées (Équation 8) sont présentées sur la Figure 51. Le capteur « neuf » n’a subi
aucun test avant celui-ci, le capteur « ancien » a déjà subi des campagnes d’essais en enceinte
climatique.
107
Figure 51 : Mesure en atmosphère sèche de la résistance électrique de capteurs sur la
plage - 60°C / 120°C [136]
Les parachutes destinés à être instrumentés par les capteurs CPC (EVO – CB) ont une plage
d’utilisation normale entre -50°C et 60°C. Dans ce domaine, la Figure 51 montre que l’amplitude
maximum des variations de Rn ne dépasse pas 0,1 Ω/Ω. De plus sur la plage -20°C / 30°C, la
dépendance de Rn à la température et quasiment nul. Au-delà de 60°C apparait un pic montrant une
variation très brusque de la résistance électrique avec la température. Cet effet de Coefficient de
Température Positif (CTP) correspond à la variation non linéaire de la résistivité d’un CPC en fonction
de la température et s’explique par des variations de volume spécifique lors des transitions
thermiques de la matrice du CPC [110]. Des analyses DSC du CPC ont montré la présence de
transitions thermiques à 71°C et 78°C ce qui explique la présence de ce pic. Le phénomène CTP mis
en évidence pour ce système a été exploité lors de travaux sur les textiles chauffants régulés (voir
deuxième partie, chapitre 2.3, page 61).
3.3.4 Mesures in-situ
En parallèle au développement des capteurs, nous avons mis au point avec nos partenaires (DGA et
CNES) les chaines d’acquisition permettant les mesures en conditions réelles d’utilisations.
Un des aspects important concerne la connectique et les liaisons capteurs / électroniques. La
connectique coté enduction CPC a été abordée dans le chapitre 3.2.4 (page 96). La Figure 40 montre
que le type de connexion développé pour le CPC (EVO – CB) supporte les ouvertures répétées de
parachute. Pour les capteurs à base de CPC (silicone – PEDOT:PSS) à destination des BSO, il n’est pas
possible de réaliser des campagnes d’essais à coût maitrisé. De ce fait, nous avons dû procéder à de
simples mesures de force d’arrachement des fils de connexion sur dynamomètre. Les résultats
obtenus sont synthétisés dans le Tableau 12.
108
Tableau 12 : Force d’arrachement des fils de connexion des capteurs CPC – PEDOT:PSS [19]
La force minimale constatée de 15 N est, d’après le CNES, suffisante pour résister aux contraintes et
pouvoir fournir une mesure pendant un vol de BSO.
EL-ZEIN Alexandra a également permis le développement d’un fil conducteur de liaison entre le
capteur CPC (silicone – PEDOT:PSS) et l’électronique du CNES pour mesurer la résistance électrique
pendant le vol. Ces fils doivent (i) être insérés dans les rubans PET des BSO (visibles sur la Figure 43 b)
pour qu’ils ne soient pas libres pendant le vol et (ii) supporter et être insensibles à l’allongement (i.e.
ne pas avoir de facteur de jauge) pour que les changements de résistances mesurés soient attribués
exclusivement aux changements de résistances du capteur CPC (silicone – PEDOT:PSS). Le fil
développé par un sous-traitant est constitué notamment de filaments d’inox guipés autour d’un fil
d’âme. Les paramètres définis au cours de l’étude (nombre de tours, titre…) sont confidentiels [141].
Malgré l’ensemble des développements réalisé sur les capteurs CPC (silicone – PEDOT:PSS) sur film
LDPE pour l’application mesure d’allongement des BSO, aucune mesure en conditions réelles n’a été
menée. Deux causes sont avancées : (i) le manque de fiabilité/précision des capteurs et (ii) le coût de
vol des BSO.
Pour l’instrumentation des parachutes, les capteurs CPC (EVO – CB) sont déposés par paire grâce à la
table d’enduction (chapitre 3.2.4) sur le côté interne de la voilure (intrados) (Figure 52). Pour les
capteurs proches du bord d’attaque (bas du parachute), une liaison par câble (270 g pour 4 capteurs)
à un enregistreur numérique placé au niveau du harnais est utilisé (Figure 52, I). Pour les capteurs
proches du bord de fuite (haut du parachute) un système d’enregistrement basé sur une carte SD
(60 g pour 4 capteurs) a été développé pour limiter le cheminement de câbles. En parallèle à ces
capteurs, la DGA place des jauges de contraintes conventionnelles au niveau des pièces métalliques
du harnais.
109
Figure 52 : Vue d’ensemble de l’instrumentation d’un parachute [139]
Lors du déploiement du parachute, la phase de vol se découpe en trois étapes (Figure 53) :
o L’extraction (I) du sac à voile qui s’effectue via une sangle d’ouverture automatique ou via un
extracteur. C’est lors de cette phase qu’il y a le plus de frottements entre le sac et la voilure
et entre les différents éléments de la voilure (des brûlures peuvent apparaître). Cette phase
a une durée d’environ 1,5 seconde.
o Le gonflement (II) de la voilure commençant par le bord de fuite et atteignant
progressivement le bord d’attaque. Ce gonflement provoque un choc brutal dû à l’entrée
d’air et à la décélération. C’est lors de cette phase que se produit la majeure partie des
ruptures et déchirures. Le gonflement est effectif en environ 2 secondes.
o La descente stabilisée (III) qui est une phase quasi statique et qui amène le parachute
jusqu’au sol.
110
Figure 53 : Les trois phases de déploiement d’une voilure de parachute
La Figure 54 a) présente la résistance relative mesurée sur un capteur placé proche du bord
d’attaque du parachute dans le sens des fuseaux (« verticalement ») lors du largage automatique
d’un mannequin de 80 kg (vitesse de l’aéronef 240 km/h, température 24°C et humidité relative
65 %). La Figure 54 b) présente l’enregistrement de la force mesurée par une jauge de contrainte
classique au niveau d’une bouche d’un des harnais lors du même largage [139].
Figure 54 : Enregistrement de a) la résistance relative du capteur CPC (EVO – CB) placé sur la voilure
de parachute et b) la force mesurée au niveau du harnais par un capteur conventionnel, pendant
l’ouverture du parachute [139]
La Figure 54 b) permet d’identifier, à 55,8 secondes, le pic de contrainte résultant du choc à
l’ouverture (Figure 53, Phase II). Ce choc est aussi perçu par le capteur CPC (EVO – CB) sur la voilure
mais près d’une seconde avant ce qui semble logique du point de vue de la dynamique du
phénomène. La descente stabilisée, phase durant laquelle la toile reste en tension, est également
parfaitement visible sur l’enregistrement. La résistance relative mesurée au pic est de 4 Ω/Ω. En
injectant cette valeur dans l’équation d’étalonnage définie pour nos capteurs (Équation 10) et en lui
appliquant les coefficients r et p optimaux (Tableau 11) pour une de plage de sollicitation de 0 – 10 %
et une vitesse de 1000 mm/min, nous affirmons que l’allongement de la voilure au pic est de l’ordre
111
de 8,7 %. Cette valeur est plus importante que celles trouvées par d’autres études [149][150] mais
celles-ci étaient menées sur des parachutes modèles réduits (1/5) et en soufflerie sous flux d’air
constant.
Les méthodes de préparation du matériau et de réalisation du capteur par l’utilisation de la table
d’enduction ont été transférées à la DGA qui, à l’issue de cette étude, a réalisé d’autres campagnes
d’essais [151] et notamment sur des plus petits parachutes largués depuis une tour pour valider
certains modèles mathématique [152], [153] (Figure 55).
Figure 55 : a) Deux capteurs d’allongement équipant b) un petit parachute hémisphérique pour c) un
lâché d’une tour. d) Enregistrement de l’allongement de la voilure pendant la descente et e)
simulation l’état du parachute au même moment. D’après [151], [152], [153].
3.4 Conclusion
Les travaux menés pour l’évaluation in-situ des allongements d’une voilure de parachute ou d’un film
LDPE constituant les BSO nous ont permis de développer des matériaux CPC aux caractéristiques
piézorésistives adéquates et des méthodes de mise en œuvre des capteurs, de leurs connectiques et
de leur protections mécaniques adaptées au support fin et de grandes dimensions.
La détermination des facteurs de jauge et des effets des grandeurs d’influences (température et
humidité relative) sur la résistivité des capteurs a été menée à bien et a montré la possibilité
d’atteindre avec ce type de matériau des facteurs de jauge comparables aux capteurs semi-
conducteurs. Par contre, le facteur humidité relative a une influence très forte sur la résistivité des
matériaux et il ne semble pas possible d’y remédier physiquement par l’ajout d’une couche de
protection sans nuire à la finesse du capteur.
Pour les capteurs sur voilure de parachute, le développement conjoint d’une chaine de mesure a
permis la réalisation de mesures in-situ en conditions réelles démontant, premièrement, la viabilité
112
du système et, deuxièmement, que localement la voilure de parachute, ne s’allongeait pas plus de
8,7 %.
Les matériaux développés au cours de ces études ont trouvé d’autres applications comme par
exemple dans les textiles chauffants (Partie 1, chapitre 2.2).
Les activités, sur le développement de capteurs d’allongement pour tissu ou film, ont été valorisées
par 5 publications [3], [4], [19], [139], [36], 3 chapitres d’ouvrages [27], [28], [154], 7 conférences
[40], [41], [44], [46], [48], [50], [63]et 3 communications par affiche [92]–[94].
4 Les capteurs filaires pour composite
4.1 Introduction
Le Laboratoire GEMTEX a un groupe de recherche en grande partie dédié aux composites (Groupe
Mécanique, Textiles Composites, MTC) qui traite de l’élaboration des préformes textiles sèches
jusqu’au contrôle de santé des structures (Structural Health Monitoring, SHM), en passant par la
modélisation des impacts balistiques et le développement de composites verts par exemple. Dans ce
contexte, mes travaux sur le développement de capteurs d’allongement ont pu être déployés pour
tenter d’apporter un certain nombre d’éléments de compréhension des phénomènes mis en jeu lors
de différentes étapes de réalisation d’une pièce composite.
L’objectif général est de mieux comprendre les procédés de mise en œuvre, comme la fabrication du
tissu, la déformation des préformes ou encore leurs infusions pour, à terme, optimiser les
productions (augmenter les cadences et diminuer les rebus).
La spécificité de nos études réside dans la mise au point de capteurs et de connectiques, s’adaptant
au mieux aux dispositifs existants (machine à tisser par exemple) pour réaliser des mesures le plus
souvent in-situ. Dans la majorité des cas, nous utilisons un fil de la structure pour lui « ajouter » la
fonction de capteur et l’inclure dans le dispositif ou la structure sans aucun autre changement.
4.2 Monitoring du tissage
Sous l’impulsion de BOUSSU François (Professeur des Universités à l’ENSAIT), j’ai pu apporter mon
expertise sur le développement de capteurs lors de la thèse de TRIFIGNY Nicolas sur la mesure in-situ
et la connaissance des phénomènes mécaniques au sein d’une structure tissée multicouches [155].
L’objectif de l’étude est d’estimer les allongements subis par les fils de chaîne lors du tissage et
pouvant amener à une perte de performance mécanique irrémédiable du tissu.
Pour cette étude, nous avons conçu un capteur CPC à base de PEDOT:PSS spécifique supporté par un
fil de chaîne (verre) qui doit être assez résistant mécaniquement (frottement, petits chocs localisés…)
pour subir tout le processus de tissage de l’ensouple jusqu’aux templets (Figure 56).
113
Figure 56 : Représentation 3D des éléments d’une machine à tisser Dornier en contact avec les fils de
chaîne lors du tissage
4.2.1 Mise au point du capteur
Compte tenu des faibles allongements supposés des fils de chaîne constitués de fibres de verre
(roving de verre E, 300 Tex) et du fait que le PEDOT:PSS (Clevios 105D, Figure 37) utilisé est en
solution aqueuse, nous nous sommes orientés vers l’utilisation d’une matrice PVA (polyvinyl
alcohol). Pour ce système PVA - PEDOT:PSS, TRIFIGNY Nicolas a préparé, en solution, des CPC
avec des taux finaux de PEDOT:PSS (Solid content, Figure 37) allant de 1,9 wt.-% à 71,7 wt.-%.
Pour cela, le PVA est d’abord dissous à 90°C sous agitation pendant 4 heures dans de l’eau
distillée, puis la solution commerciale de Clevios 105D est ajoutée selon la quantité désirée. Les
enductions sont réalisées sur plaques de verre ou fibres de verre par trempage et séchées sous
air chaud (150°C).
La mesure des résistivités de surface sur des enductions réalisées sur plaques de verre avec les
CPC permettent de tracer la courbe de percolation (Figure 35) présentée en Figure 57. Sur cette
figure, deux masterbatches de PVA sont utilisés, le masterbatch A correspond à une dissolution
initiale à 9 wt.-% de PVA dans l’eau et le masterbatch B à 27 wt.-%.
114
Figure 57 : Résistivité d’enduction CPC (PVA - PEDOT:PSS) en fonction du taux de PEDOT:PSS (solid
content) [9]
La Figure 57 montre un comportement du type percolation comme d’autres auteurs l’ont trouvé
pour des systèmes similaires [138] même si ici, le palier n’est pas très abrupte, traduisant une forte
tridimensionnalité des charges. La percolation φc (Figure 35) semble intervenir autour de 2,5 wt.-%
de PEDOT:PSS. Par contre pour une application capteur, il faut utiliser un CPC ayant à la fois une
bonne sensibilité électromécanique (i.e. être proche φ2, Figure 35) et une assez faible résistivité
électrique pour simplifier la chaîne de mesure. Cela implique de travailler, pour ce système, avec des
concentrations de PEDOT:PSS (solid content) entre 10 et 20 wt.-%.
Le matériau capteur est positionné sur le roving de verre (300 Tex) par enduction. TRIFIGNY Nicolas a
mis en place et montré l’intérêt d’un prétraitement du roving par du PVA seul pour ne déposer
ensuite du CPC qu’en surface du composite Roving de verre / PVA. Si le roving de verre était
directement enduit de CPC, son allongement provoquerait, certes un allongement du capteur, mais
aussi des phénomènes de compression mal maitrisés du matériau CPC entre les fibres de verres ce
qui induirait un changement de résistance électrique parasite [155].
Ainsi, les étapes de préparation du fil capteur sont :
o Préparation du support : nettoyage puis enduction du roving de verre E, 300 Tex par du PVA;
o Mise en place des fils de connexion : des fils de cuivre de diamètre 200 µm sont ligaturés sur
le roving de verre espacé de 30 mm;
o Enduction de CPC : le CPC (9,2 wt.-% PEDOT:PSS) est appliqué au pinceau sur, et entre, les
électrodes puis séché à 150°C. 6 applications sont généralement réalisées pour obtenir des
capteurs uniformes.
Le CPC à base de PVA est suffisamment dur pour ne pas avoir besoin d’une couche de protection.
Cela permet également de conserver un ensemble avec un diamètre compatible avec l’usage normal
de la machine à tisser. Un exemple de capteur est présenté à la Figure 58.
115
Figure 58 : Vue d’un capteur CPC (PVA - PEDOT:PSS) (partie noire) sur roving verre E 300 tex [155]
Au cours du processus de tissage, les fils de chaînes auront à subir des allongements cycliques, ainsi
nous avons choisi d’exprimer un facteur de jauge moyen calculé à partir de tests électromécaniques
durant lesquels les capteurs subissent des allongements répétitifs (minimum 5) de 0,9 % pendant 4
secondes. La résistance relative d’un capteur sur un roving de verre E 300 Tex en fonction de la
déformation est présentée sur la Figure 59.
Figure 59 : Résistance relative et force en fonction de la déformation d’un roving de verre E 300 Tex
équipé d’un capteur CPC (PVA – PEDOT:PSS) [155]
Le facteur de jauge linéaire mesuré est de 2,2. Cette valeur est assez faible pour ce type de capteur
mais les allongements considérés ici sont faibles. Pour des allongements plus élevés, le
comportement ne devrait plus être linéaire et le facteur de jauge devrait être beaucoup plus élevé
comme à la Figure 46.
116
4.2.2 Résultats des mesures in-situ lors du tissage
Pour réaliser les mesures in-situ, des capteurs sont préparés sur roving de verre E 300 Tex hors
machine à tisser puis, un des fils de chaîne est remplacé par celui instrumenté. Cela permet de placer
le capteur à l’endroit souhaité du processus pour cibler la mesure (Figure 56).
La mesure des résistances électriques des capteurs est réalisée grâce à un Keithley 3706 et une carte
d’acquisition 3724, la fréquence d’acquisition est de 1000 Hz.
TRIFIGNY Nicolas a réalisé des mesures à divers endroits de la machine à tisser (Dornier) : après le
porte fils, au niveau des casses chaînes, dans la zone des cadres et lisses, à la foule et au point de
façure. En exemple, une mesure réalisée au niveau du passage d’une lisse et pour une vitesse de
production de 100 coups/minute, est présentée à la Figure 60.
Figure 60 : Mesure de la résistance relative d’un capteur CPC (PVA – PEDOT:PSS) sur fil situé dans une
lisse en mouvement dynamique vertical [155]
Les données enregistrées montrent une période de 4,8 secondes du signal correspondant au
mouvement alternatif vertical imposé par la lisse au fil de chaîne. Les enregistrements effectués aux
autres endroits permettent également d’identifier les périodes caractéristiques du tissage. Par
contre, les valeurs de résistances relatives sont difficilement exploitables du fait de l’inhomogénéité
des capteurs entre eux et de la connectique non-optimisée. En effet, le système de connexion par
ligature de fil de cuivre n’offre pas un contact électrique parfait lorsqu’il est déformé et cela
engendre du bruit de mesure.
Ces activités sur le développement de capteurs sous forme de fil pour le monitoring du tissage ont
été valorisées par 1 publication [9], 1 chapitre d’ouvrage [34] et 4 conférences [62], [65], [66], [70].
4.3 Monitoring de l’infusion
La technique d’infusion de résine liquide (Liquid Resin Infusion, LRI) est basée sur l’écoulement forcé
d’une résine liquide à travers l’épaisseur d’un renfort fibreux sec. L’optimisation du procédé est
difficile car il n’utilise pas de contre moule et le volume de la préforme change pendant la mise en
œuvre car elle est soumise à la pression extérieure. Des modèles numériques d’écoulement de fluide
au travers de média poreux, permettent de calculer le temps de remplissage, l’épaisseur finale de la
117
préforme et la masse de la résine pendant l’infusion [156]. Des approches expérimentales ont
également été menées pour suivre le front de résine et la température durant le process. Avec
l’utilisation de camera, de thermocouples, de capteurs optiques FBG (Fiber Bragg Grating, réseau de
Bragg sur fibre) ou de capteurs de Fresnel à fibre optique. Si elles sont assez nombreuses, les
mesures locales effectuées permettent de « reconstituer » le front de résine et de suivre
thermiquement la réticulation de celle-ci [156]. Les inconvénients de ces mesures sont le coût non
négligeable de certains capteurs comme les thermocouples ou les capteurs optiques FBG et la
nécessité d’une chaîne de mesure parfois lourde qui fait que cette instrumentation n’est
envisageable souvent qu’en laboratoire.
Le but des travaux menés en 2016 avec FACI Abderrahmane est de montrer la faisabilité d’une
solution de monitoring à bas coût de l’infusion par une résine époxyde d’une préforme en lin.
4.3.1 Choix du fil capteur et description du dispositif expérimental
Nous avons fait le choix d’orienter l’étude vers des capteurs résistifs et d’utiliser des fils textiles
conducteurs commerciaux et disponibles. Une première phase a consisté à sélectionner des fils
présentant un changement de résistance électrique en présence de résine époxyde (SR 8200 et
durcisseur SD7201, Sicomin). Notre choix s’est porté sur les multifilaments en polyamide recouverts
d’argent (PA/Ag) de chez Shieldex (235/34 dTex 2 ply ou 117/17 dTex 2 ply6). En effet, FACI
Abderrahmane a montré que la résistance électrique de ces fils variait linéairement lorsque l’on
déposait à leurs surfaces, et côte à côte, des gouttes de résine époxyde (Figure 61). Cet effet laisse
entrevoir l’utilisation possible d’un tel fil en tant que capteur de présence de résine.
Figure 61 : Variation de la résistance électrique normalisée en fonction de la longueur d’un fil PA/Ag
recouverte de résine époxyde [81]
L’étude est menée sur des préformes (200 mm × 150 mm) de lin obtenues par superposition de
tissus (sergé (twill) 2/2, 305 g/m²) sur certain desquels sont cousus, de manière rectiligne, des fils
PA/Ag. Les fils capteurs peuvent être placés dans le sens de l’avancée de la résine (x) ou dans le sens
perpendiculaire (y). Chaque fil conducteur est relié à un Keithley 3706 et une carte d’acquisition 3724
pour la mesure des résistances électriques in-situ. La préforme instrumentée est placée dans une
6 https://www.shieldextrading.net/products/yarns-threads/
118
poche à vide reliée au réservoir de résine et une pompe. L’infusion de la préforme complète dure
environ 8 minutes et une caméra vidéo permet de suivre l’avancée du front de résine visible en
surface. Le schéma du dispositif expérimental est présenté à la Figure 62.
Figure 62 : Dispositif expérimental utilisé pour tester le monitoring de l’infusion par des fils PA/Ag
[78]
4.3.2 Résultats
Dans un premier temps, des fils PA/Ag sont placés perpendiculairement au sens d’avancé de la résine
(donc parallèlement au front) dans le but de réaliser des échelons de sollicitation. La Figure 63
montre les résistances relatives mesurées pour trois fils. Le premier fil (courbe de gauche) montre
assez clairement un comportement du premier ordre avec une constante de temps d’environ
5 secondes. Ce fil est le premier en contact avec le front de résine qui lui est encore très parallèle.
Par contre, pour les fils 2 et 3 (courbes du milieu et de droite, respectivement), il est plus difficile de
conclure compte tenu du fait de la déformation du front de résine qui n’est plus (i) rectiligne et (ii)
parallèle aux fils PA/Ag. Ainsi l’effet « échelon » n’est pas respecté.
Figure 63 : Résistances relatives de 3 fils PA/Ag placés perpendiculairement au sens d’avancée de la
résine [81]
Dans un deuxième temps, huit fils PA/Ag sont placés parallèlement au sens d’avancée de la résine
(donc perpendiculairement au front) dans le but de suivre le front de résine et de comparer les
mesures réalisées avec les images issues des vidéos (Figure 64 a)). Ces images permettent de tracer
119
le front de résine observé à des temps de 0,54, 1,08, 1,64, 2,04, 2,50, 3,04, 3,54, 4,01, 4,47, 5,19,
5,58, 6,05, 6,44 et 7,08 minutes (courbes sur la Figure 64 b)).
Figure 64 : (a) Images issues des vidéos montrant l’avancée du front de résine et (b) graphique
montrant la trace du front de résine à différents temps
L’observation vidéo (à la surface de la préforme) montre l’avancée d’un front de résine assez
rectiligne. Seuls des « accidents » sur les tracés autour des 5 et 10 cm sont visibles.
La Figure 65 montre les résistances relatives (∆R/Rfinale) des 8 fils PA/Ag placés au cœur du renfort
pendant l’infusion à des temps (courbes sur la Figure 65) identiques aux observations de la Figure 64.
Figure 65 : Résistances relatives de 8 fils PA/Ag placés parallèlement au sens d’avancée de la résine
Ces résultats semblent montrer un front de résine beaucoup plus chaotique que celui visible en
surface sur les images vidéo. Mais les variations des résistances relatives des fils que nous attribuons
ici à 100 % à la présence, ou non, de résine statique sont l’addition de phénomènes plus complexes.
En effet, lors d’une infusion, même simple comme celle que nous avons mise en place, nous avons
constaté que le flux (mouvement) de la résine, sa température et la présence de bulles d’air,
notamment influencent la « sensibilité » du fil envers la présence de résine. De même le process, par
a) b)
Sens d’avancée
de la résine
Sens d’avancée
de la résine
(∆R/Rfinale)
120
l’utilisation d’un vide, provoque localement des contraintes qui ont une influence sur la qualité des
mesures.
4.3.3 Conclusion
Les travaux amorcés par FACI Abderrahmane ont montré la faisabilité de l’utilisation de fils
conducteurs PA/Ag commerciaux en tant que capteurs bas coût pour suivre l’infusion de préformes
composites. Néanmoins les travaux doivent être poursuivis pour déceler les phénomènes mis en jeu
lors du changement de résistance en présence de résine et ainsi fiabiliser les mesures et à terme
décorréler les effets de l’infusion, de la température, de la pression etc. Il n’est pas exclu d’utiliser le
même type de capteur pour réaliser du contrôle de santé des structures (Structural Health
Monitoring, SHM) en plus de l’application monitoring de l’infusion.
Ces activités sur le développement de capteurs bas coût pour le monitoring de l’infusion ont été
valorisées par 2 conférences [78], [81].
4.4 Monitoring de la pièce
Le projet Européen FP7 MAPPIC 3D vise au développement de procédés de fabrication de pièces
composites 3D permettant de passer sans étape intermédiaire de la fibre à la pièce. Une tâche
connexe à ce projet est d’investiguer la possibilité d’inclure dès la fabrication des pièces des capteurs
pour réaliser du contrôle de santé des structures (Structural Health Monitoring, SHM).
Nous avons choisi d’instrumenter des éprouvettes réalisées par tressage de fil co-mêlés
verre/Polypropylène (PP). En effet, le tressage peut permettre la production directe de pièces 3D et
est une des technologies développées dans le projet MAPPIC. De même, les préformes à base de
fibres co-mêlés peuvent permettre d’atteindre des cadences de production industrielle
intéressantes.
4.4.1 Mise au point du capteur
La consolidation de la pièce par thermocompression et fonte du PP nécessite une température de
200°C ce qui interdit l’usage d’un certain nombre de matrices. De plus, une fois positionné au cœur
du composite, le capteur ne sera pas soumis à des allongements importants ou de l’abrasion. Ainsi,
dans cette étude KELLY Fern a fait le choix d’utiliser un CPC basé sur une solution commerciale de
PEDOT:PSS, le Clevios 105D (Figure 37) et un Latex (Appretan 96100). Le PEDOT:PSS commercial a été
modifié pour atteindre la viscosité et le taux de « solid content » souhaités. Pour cela, la solution est
chauffée à 90°C, sous agitation, pour lui faire perdre par évaporation une certaine quantité de
solvant (perte de l’isopropanol et de l’eau). Le latex est ensuite ajouté. Les meilleurs résultats ont été
obtenus pour des « solid content » de 20 wt.-% dans le CPC final (contre 1,2 wt.-% pour la solution
initiale) [32]. Le CPC en solution est appliqué sur le roving de verre (sur 18 cm) à l’aide d’un pinceau
en 2 passages.
121
Pour cette phase d’étude, où il s’agit de faire la preuve du concept, les capteurs CPC (Latex –
PEDOT:PSS) sur roving de verre sont insérés à la main dans une structure tressée quatre couches
ayant les dimensions d’une éprouvette de traction (Figure 66). Ils sont insérés sur 9,0 cm au centre et
passent au travers des deux couches supérieures pour pouvoir être connectés ultérieurement.
Figure 66 : Vue schématique de l’insertion des fils capteurs CPC (Latex – PEDOT:PSS) entre les
couches tressées d’une éprouvette [13]
Après insertion des capteurs, l’éprouvette est consolidée en utilisant les profils de température et de
pression présentés à la Figure 67 c) puis des fils de connexion souples en acier inoxydable (2 x 275 x
12 μm de Bekintex®) de quelques centimètres sont collés à la laque d’argent sur les fils capteurs
émergeants de l’éprouvette (Figure 67 b). Des fils de cuivre standards sont sertis à ces fils d’acier et
reliés à un Keithley 3706 et une carte d’acquisition 3724, la fréquence d’acquisition est de 1000 Hz.
c
Figure 67 : Vue de l’éprouvette équipée de capteur a) avant consolidation, b) après consolidation et
c) profils de température et de pression appliqués pour la consolidation [13]
4.4.2 Résultats
Le procédé de thermocompression des préformes à base de fils co-mêlés fait perdre aux éprouvettes
entre 65 et 72 % de leur épaisseur [13]. Malgré cet écrasement important et le maintien en
122
température à 200°C pendant 6 minutes, les capteurs CPC (Latex – PEDOT:PSS) sur roving de verre
sont fonctionnels.
La mesure de ∆R/R aux bornes du capteur en fonction de l’élongation (ɛ, mm/mm) de l’éprouvette
est présentée à la Figure 68 (2 mm/min).
Figure 68 : Résistance électrique d’un capteur CPC (Latex – PEDOT:PSS) sur roving de verre inséré
dans une éprouvette composite en fonction de son élongation
Le facteur de jauge (K) du capteur calculé d’après l’Équation 9 (Page 101) est de 73,5. Cette valeur est
assez élevée pour ce type de capteur et pour des petits allongements. Le fait que le capteur soit
« emprisonné » dans la structure (et non pas libre à la surface) améliore très certainement la
détection des petites déformations.
Des problèmes d’homogénéité dans la mesure du facteur de jauge ont été détectés provenant, de (i)
l’inhomogénéité des résistances initiales des capteurs (inhomogénéité du dépôt du CPC (Latex –
PEDOT:PSS)), (ii) des connectiques non optimisées (contacts à la laque d’argent) et (iii) de la forte
compression à chaud qui altère un certain nombre de capteurs.
La présence des capteurs n’altère pas les propriétés mécaniques des éprouvettes. KELLY Fern a
même constaté une légère augmentation de la contrainte à la rupture et du module due à la
présence des deux roving de verre, supportant les capteurs, dans le sens axial de l’éprouvette.
4.5 Conclusion
L’étude menée dans le contexte du projet MAPPIC 3D a permis de mettre en avant la faisabilité pour
réaliser des mesures de déformations internes d’une éprouvette composite obtenue à partir de
fibres co-mêlées. Les capteurs développés sont supportés par des roving de verre identiques à ceux
déjà présents dans le composite et insérés dans la préforme avant consolidation par
123
thermocompression. Les tests électromécaniques sont encourageants et ont montré que les capteurs
étaient fonctionnels et qu’ils possédaient un facteur de jauge de 73,5.
Ces activités sur le développement de capteurs sous forme de fils pour le monitoring de pièces
composites ont été valorisées par 2 publications [13], [21] et 1 chapitre d’ouvrage [32].
5 Synthèse
Dans le cadre des travaux menés sur le thème du développement des capteurs mécaniques textiles,
nous avons montré notre capacité à développer des matériaux (surtout à base de CPC), des
structures (design des capteurs, des protections et des électrodes) et des process adaptés aux
besoins finaux exprimés, par des partenaires privés, ou au sein de projets collaboratifs.
Les caractérisations des capteurs en laboratoire ont montré une bonne sensibilité (facteur de jauge
élevé) et surtout une excellente finesse ce qui est l’intention première de nos développements.
Conformément à ce qui été attendu, nous avons constaté et jauge une sensibilité des systèmes
envers les grandeurs d’influences telles que l’humidité et la température. Dans la plupart des cas, nos
capteurs ont été capables de fournir une réponse cohérente et exploitable lors des mesures in-situ.
Les développements futurs seront tournés vers des applications composites, avec des mesures au
cœur des pièces et vers la fiabilisation / durabilité des systèmes dans un contexte d’application tel
que le monitoring de posture par un sous-vêtement intelligent par exemple.
Ces activités sur le développement de capteurs textiles ont été valorisées par 10 publications,
5 chapitres d’ouvrages, 14 conférences et 4 communications par affiches.
124
125
Quatrième partie – Travaux sur la conversion d’énergie et le
transfert de données par les textiles
1 Introduction
La thématique textile et énergie a émergé dans les années 2010 avec l’essor du nomadisme et l’IoT
(Internet of Things). Pour ces applications, les faibles consommations électriques mais aussi les
systèmes de récupération sont des enjeux importants pour augmenter les durées de fonctionnement
des systèmes.
Les deux premières parties traitent de la récupération d’énergie. Dans un premier temps, les activités
se focalisant sur la conversion d’énergie mécanique par des polymères piézoélectriques seront
présentées. Ces travaux ont été amorcés avec RAULT François (groupe MTP) en 2013 avec des
premiers résultats publiés en 2015 [14] et ont permis à l’ENSAIT de se mettre au même niveau que
des équipes travaillant sur le sujet depuis les années 2005-2010.
Dans un second temps, nous exposerons les différentes voies investiguées pour la récupération
d’énergie électromagnétique par des antennes textiles. Ce thème est le fruit d’une collaboration avec
plusieurs équipes de l’IEMN.
La dernière partie porte sur le transfert d’énergie et de données avec deux axes, le guidage d’onde
de surface par les métamatériaux et le développement d’antennes textiles pour la communication en
champ proche. Ces thématiques sont développées à l’ENSAIT depuis 2014 sous l’impulsion de
l’équipe DOME (Dispositifs Opto- et Micro-Electroniques) de l’IEMN.
2 Conversion d’énergie mécanique par un textile piézoélectrique
2.1 Introduction
Générer de l’énergie électrique grâce à l’effet piézoélectrique des matériaux souples n’est pas un
concept récent [157], mais la thématique connait une très forte croissance entamée entre 2005 et
2010. Celle-ci est due à de multiples facteurs tels que les retombées des nombreuses recherches sur
les nano, la meilleure maitrise des processus, les progrès de l’électronique vers notamment la basse
consommation et l’engouement pour les wearables technologies. Dans ce contexte des textiles
intelligents et fort de travaux antérieurs sur des films de Poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) portant
notamment sur les stratégies permettant la transformation de la phase α (non piézoélectrique) en β
(piézoélectrique), des équipes (SIORES [158], LUND [159]) produisent dès 2010 des fibres
piézoélectriques avec ou sans électrodes par des procédés continus.
L’équipe MTP de l’ENSAIT est reconnue pour son savoir-faire concernant la mise en œuvre par filage
voie fondue de polymères, de mélanges de polymères ou encore de nano composites et c’est de
126
manière naturelle que des travaux conjoints ont débuté sur le piézoélectrique. Ainsi, le projet
AUTONOTEX (PIAVE -Projet Industriel d'AVEnir-, 2015 – 2018), vise à mettre au point des textiles
connectés, au moins en partie, autonomes en énergie par le biais de la récupération d’énergie
mécanique en utilisant la piézoélectricité. Les domaines d’applications visés se focalisent sur les
équipements de protection individuelle (EPI) et le domaine médical.
Dès le commencement du projet, l’ENSAIT a proposé trois stratégies (plans A, B et C) de
développement de textiles piézoélectriques en fonction des capacités des partenaires du consortium
et des intérêts scientifiques. Le plan A se base sur l’obtention d’une fibre piézoélectrique tri-
composante contenant matériaux actifs et électrodes (en cœur et gaine). Le plan B est associé au
développement du gainage d’un mono filament métallique par le polymère piézoélectrique. Dans ce
cas, la deuxième électrodes est réalisée par un deuxième gainage ou déposée après la réalisation du
textile. Le plan C consiste lui en la réalisation d’un textile 100 % piézoélectrique optimisé sur lequel
les électrodes sont ajoutées dans un second temps.
L’ENSAIT a en charge le plan C qui a été confié à TALBOURDET Anaëlle, la doctorante financée par le
projet.
2.2 Obtention d’un matériau piézoélectrique
Dans l’optique finale de produire des prototypes textiles de grandes dimensions, le choix du
consortium a été de s’orienter vers un polymère piézoélectrique efficace, disponible et à coût
modéré. Le Polyfluorure de vinylidène (PVDF) répond à ces trois critères à condition de le mettre en
œuvre dans des conditions spécifiques pour disposer de l’effet rechercher. En effet, le PVDF est un
polymère semi-cristallin qui peut cristalliser principalement en α, β et γ et seules les phases polaires
β et γ sont piézoélectriques. Par contre, la phase apolaire α (non piézoélectrique) est la plus stable et
se forme naturellement lors du refroidissement du PVDF dans des conditions normales.
Cette problématique d’obtention de multifilaments PVDF avec un taux maximum de β a été traitée
avec le groupe MTP et le choix a été fait d’optimiser le taux de β uniquement avec l’étirage des
filaments lors du processus et non pas avec l’ajout de charges ou d’additifs [14]. Ainsi, par exemple,
la Figure 69 met en évidence, par des mesures infrarouges (Figure 69, A), l’augmentation du taux de
phase β, et la diminution du taux de phase α, par l’augmentation de l’étirage des filaments. L’étirage
étant ici défini comme le rapport entre les vitesses des rouleaux d’étirage. De même, des analyses
DSC (Figure 69, B) permettent de quantifier le taux de cristallinité total, qui augmente légèrement
avec l’étirage, et le taux de phase β (F(β)) qui atteint 97 % pour un étirage λ = 5.
127
Figure 69 : (A) Spectres FT-IR de multifilaments 100 % PVDF pour des étirages (λ) de 2 à 5 et (B)
calculs des fractions cristallines totales (Xc) et F (β) par DSC [77]
Dans nos conditions de mise en œuvre (profil de température de l’extrudeuse, débit de la pompe,
température des rouleaux d’étirage etc.) permettant d’obtenir des multifilaments de 246 Tex (i.e.
g/1000 m), l’étirage λ = 5 permet de maximiser le taux de cristallinité (Xc) et le taux de phase β (F(β))
comme le montre la Figure 70.
Figure 70 : Evolution du taux de cristallinité (Xc) et du taux de phase β (F(β)) de multifilaments 100 %
PVDF pour des étirages de 2 à 6 [24]
Ces résultats obtenus sur l’optimisation du taux de phase β sont en accord avec la bibliographie sur
les taux d’étirages à appliquer, les taux de cristallinité (Xc) et les taux de phase β (F(β)) maximum
atteignables [160], [161]. Par contre, les études précédentes référent en grande majorité de l’étirage
et de la caractérisation de films ou de monofilaments et non de multifilaments fins.
L’obtention de filaments PVDF riches en phase β n’est pas suffisante pour bénéficier de l’effet
piézoélectrique et récupérer de l’énergie. En effet, il faut que les domaines piézoélectriques (formés
de phase β, possédant un moment dipolaire) soient orientés globalement dans la même direction
afin que macroscopiquement le moment dipolaire résultant ne soit pas nul. Usuellement, une étape
de polarisation sous champs électrique élevé (mais inférieur à 3 V/µm, champ maximum accepté par
128
l’air) permet d’orienter les moments dipolaires. Dans le cas idéal, pour que la récupération d’énergie
soit optimale, il faut que la polarisation ait lieu dans le futur sens de sollicitation mécanique.
2.3 Structures textiles 100 % PVDF
L’un des buts du projet est d’obtenir des surfaces récupératrices d’énergie mécanique. Ainsi
TALBOURDET Anaëlle a prototypé des surfaces textiles à partir des multifilaments optimisés en phase
β, c’est-à-dire obtenu avec un taux d’étirage λ = 5 et ayant un titre de 246 Tex. Cette partie décrie
brièvement les 3 textiles mis en œuvre.
2.3.1 Tissu toile (2D)
L’armure toile est l’armure la plus simple, chaque fil de trame passe au-dessus et au-dessous des fils
de chaîne de façon répétitive. Cette armure 2D nous servira de référence. Elle est produite sur un
métier à tisser manuel (ARM B60) semi automatisé (Selectron Mas) avec une densité chaine et trame
de 5 fils par centimètre.
L’échantillon obtenu a une épaisseur de 1,08 ± 0,07 mm pour une masse surfacique de 785 g/m². Le
calcul situe sa porosité théorique à 59 %. La polarisation s’effectue au contact entre 2 électrodes de
cuivre sous 3,0 ± 0,2 kV (soit 2,7 ± 0,1 V/µm) en étuve à 80°C pendant 15 minutes.
2.3.2 Tissu interlock (3D)
Dans le but de disposer d’une structure textile proposant le placement de filaments PVDF dans les
trois dimensions, nous nous sommes orientés vers la réalisation d’un interlock diagonal dans
l’épaisseur (Figure 71).
Figure 71 : Schéma 3D de l’interlock diagonal dans l’épaisseur [162]
Cet interlock est produit sur un métier à tisser manuel (ARM B60) semi automatisé (Selectron Mas)
avec une densité chaine et trame de 7 fils par centimètre. Comme attendu, ce tissu a une épaisseur
bien supérieure à la toile de 2,38 ± 0,11 mm pour une masse surfacique également plus élevée de
1790 g/m² (porosité théorique de 57 %).
Comme pour la toile, la polarisation s’effectue au contact entre 2 électrodes de cuivre sous 6.2 kV ±
0,6 (soit 2,7 ± 0,1 V/µm) en étuve à 80°C pendant 15 minutes. D’autres études ont déjà proposé des
129
structures textiles épaisses à base de filaments de PVDF, mais avec des porosités beaucoup plus
élevées puisqu’il s’agissait de spacer tricotés [163].
2.3.3 Tricot côte 1X1
Dans un contexte de prototypage, les tricots ont pour avantage de pouvoir être produit plus
rapidement. Tous les échantillons sont réalisés sur métier rectiligne manuel Dubied avec une
contexture côte 1x1. C’est une contexture dite double fonture, appelée ainsi car chaque rangée du
tricot est réalisée en alternant une maille avant et une maille arrière.
En plus des multifilaments obtenus avec un étirage λ = 5, nous avons tricoté des multifilaments avec
des taux d’étirage variant de 1,25 à 4 dans le but d’étudier les réponses piézoélectriques en fonction
du taux de phase β. Pour les tricots obtenus, l’épaisseur est de 2,72 ± 0,13 mm et la porosité calculée
de 72 %.
Comme pour les tissus, la polarisation s’effectue au contact entre 2 électrodes de cuivre sous
7,4 kV ± 0,3 (soit 2,2 ± 0,1 V/µm) en étuve à 80°C pendant 15 minutes. Le champ appliqué est plus
faible que dans le cas des tissus, car la structure est beaucoup plus poreuse et le risque de claquage
est accru.
2.4 Caractérisation des structures textiles piézoélectriques
2.4.1 Dispositifs mis en place
La bibliographie rend compte de nombreuses possibilités de caractérisations de textiles
piézoélectriques en les sollicitant en traction, en compression, en torsion à l’impact etc. [159], [163].
Toutes ces caractérisations sont réalistes du point de vu de l’usage des textiles mais nous avons
choisi d’étudier uniquement nos textiles en compression pour d’une part, les solliciter dans le sens
de la polarisation et d’autre part, pour, initialement, pourvoir déterminer un coefficient
piézoélectrique (d33) macroscopique équivalent de nos structures. Ainsi, après polarisation au
contact entre des électrodes de 3 × 3 cm, les textiles sont découpés et placés entre les plateaux d’un
DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) équipé d’électrodes de cuivre, isolées de l’appareil, de 2,5 cm
de diamètre. Ces électrodes sont reliées, selon les cas, à un voltmètre (mesure directe de la tension
de sortie) ou à un circuit permettant de stocker l’énergie. Le montage sur le DMA est visible à la
Figure 72.
130
Figure 72 : Vue d’un échantillon textile placé entre les 2 électrodes de cuivre entre les plateaux du
DMA pour une sollicitation en compression [162]
Dans le cas des mesures directes, les tensions de sortie sont enregistrées grâce à un Keithley 3706A
au cours de 7 cycles de 5 secondes pendant lesquels les textiles subissent une charge initiale de 5 N
puis une compression de 4 % de l’épaisseur à une fréquence de 100 Hz.
Le circuit de « stockage » d’énergie est lui, simplement basé sur une diode (pour le redressage), un
condensateur (1 µF, pour le stockage) et un interrupteur qui permet de libérer les charges vers une
résistance pour décharger le condensateur. Dans ce cas, les textiles sont sollicités au DMA (73,5 Hz,
pré-charge de 10 N et pourcentages de compression variables selon l’étude effectuée) et la tension
aux bornes du condensateur est enregistrée en continue grâce à un Keithley 3706A.
2.4.2 Importance de la structure textile
Cette partie a pour but de comparer les tensions produites par les trois structures textiles mises en
œuvre et polarisées. La Figure 73 présente la tension aux bornes du condensateur mesurée pour des
toiles, interlocks et tricots 100 % PVDF, réalisés à partir de multifilaments produits avec un étirage λ =
5, après 180 secondes de compression au DMA. La pré-charge est fixée à 10 N, la fréquence de
sollicitation à 73,5 Hz et plusieurs taux de compression, de 20 % à 50 %, ont été testés.
Figure 73 : Tension de sortie des étoffes 100 % PVDF sollicitée en compression sous différents taux
de compression (%) et pré-charge (N) [162]
131
De manière générale, la Figure 73 montre que les meilleures réponses sont obtenues pour une
compression de 40 %. A ce taux, l’interlock est le plus efficace (652 ± 48 mV) devant le tricot côte 1x1
(529 ± 21 mV) puis la toile (377 ± 13 mV). L’avantage semble donc être donné aux structures
épaisses. L’interlock a également pour avantage de produire une tension assez stable quel que soit le
niveau de compression.
Pour aller plus loin, TALBOUDET Anaëlle a comparé en mesure directe la toile et l’interlock sous
faible déformation. Ainsi, les électrodes de cuivres sont reliées à un Keithley 3706A pour
enregistrement. Les Figure 74 et Figure 75 montrent les tensions de sortie enregistrées au cours de 7
cycles de 5 secondes pendant lesquels les tissus (interlock et toile, respectivement) subissent une
charge initiale de 5 Newtons puis une compression de 4 % à une fréquence de 100 Hz. Chaque figure
compare un échantillon polarisé (trait plein) et non polarisé (pointillés).
Figure 74 : Tension de sortie lors de la sollicitation sous DMA (100 Hz, 4 % de déplacement, 5 N) d’un
interlock 100 % PVDF polarisé ou non [24]
Figure 75 : Tension de sortie lors de la sollicitation sous DMA (100 Hz, 4 % de déplacement, 5 N)
d’une toile 100 % PVDF polarisée ou non [24]
132
La Figure 74 montre la production d’une tension par le tissu interlock 100 % PVDF polarisé avec un
pic maximum à 2,3 V et un RMS à 1,29 V. Sans polarisation cette tension de sortie est de l’ordre de
0,2 V. Cette mesure pourrait indiquer une orientation préférentielle des domaines piézoélectriques
lors de l’étape de filage qui polariserait spontanément le fil.
Pour la toile (Figure 75), la tension de sortie RMS est de 0,085 V. Cette valeur, 15 fois plus faible que
pour l’interlock, ne s’explique pas par la différence de porosité (59 % pour la toile et 57 % pour
l’interlock), ni par la « quantité de matière » entre les électrodes puisque quand les tensions
produites sont ramenées aux masses surfaciques des étoffes, l’écart reste important : 0,11 mV/g/m²
pour la toile et 0,87 mV/g/m² pour l’interlock. Cette analyse est confirmée par la mesure de la
tension de sortie lors de sollicitations sous DMA de deux toiles superposées (Figure 76) dans le but
d’atteindre une épaisseur totale proche de celle de l’interlock (2,16 mm contre 2,38 mm,
respectivement).
Figure 76 : Tension de sortie lors de la sollicitation sous DMA (100 Hz, 4 % de déplacement, 5 N) de
deux toiles superposées 100 % PVDF polarisée [24]
Les résultats présentés à la Figure 76, ne montrent qu’une faible augmentation de la tension de
sortie RMS qui passe de 0,085 V, pour une toile à 0,128 V pour deux toiles. Ces résultats montrent
clairement l’intérêt des interlocks qui permettent de disposer, dans une structure liée, des
multifilaments possèdant un plus grand potentiel de déformation lors des sollicitations par
compression.
2.4.3 Prépondérance de l’effet piézoélectrique sur l’effet triboélectrique
Les études sur les textiles piézoélectriques s’attachent toujours à optimiser le matériau puis à étudier
sa réponse après sa mise en œuvre dans une structure textile. Il nous a semblé important d’étudier la
réponse piézoélectrique de structures textiles réalisées avec des multifilaments non optimisés, mais
avec des taux de phase β connus. De plus, cette étude pourra mettre en lumière la possible
contribution d’un effet triboélectrique généré par notre dispositif de test.
133
Une campagne de filage a permis de produire des multifilaments 100 % PVDF avec des taux d’étirage
(λ) de 1,25 à 4 et donc possédant des taux de phase β allant de 19 % à 94 %. Le Tableau 13 reprend
les taux d’étirage et les fractions en phase β des multifilaments utilisés.
Tableau 13 : Taux d’étirage et fraction en phase β des multifilaments 100 % PVDF
Les multifilaments sont tricotés en côte 1x1 puis les étoffes polarisées et enfin sollicitées en
compression au DMA à une fréquence de 73,5 Hz, sous 10 N de pré-charge et sous 40 % de
compression. La Figure 77 montre les tensions enregistrées après 180 secondes de compression.
Figure 77 : Tension de sortie aux bornes des tricots 100 % PVDF réalisés avec des multifilaments
étirés à λ = 1,25, 2, 3 et 4 ; sollicités en compression (DMA, 73,5 Hz, 40 % de déplacement, 10 N de
pré-charge) [162]
Comme attendu, ces résultats montrent clairement le lien entre l’étirage λ (et donc ici le taux de
phase β, Tableau 13) et la tension produite. De plus lorsque le taux de phase β est cinq fois plus
important (de 19 à 94 %), la tension de sortie est également cinq fois plus importante (de 68 à
362 mV). Cela exclu quasiment toute contribution autre que l’effet piézoélectrique dans nos
mesures.
2.5 Conclusion
L’optimisation du processus de filage, peu traité dans ce rapport, géré par le groupe MTP a permis
l’obtention et la multi caractérisation de multifilaments 100 % PVDF avec un taux de phase β
maximisé [14].
De ce matériau, nous avons mis en évidence l’importance des structures textiles qui lui était associé
et montré qu’une structure interlock diagonal pouvait avantageusement produire de l’énergie par
compression par rapport à d’autres structures simples.
Les énergies produites sont faibles et, bien sûr, l’électronique accompagnant le textile récupérateur
aura une place importante dans de potentiels développements futurs. Les premiers essais réalisés
134
par TALBOURDET Anaëlle, en utilisant un pont de diodes (non présenté ici), montrent un système
cinq fois plus efficace que le système basé sur une simple diode. Ainsi les énergies emmagasinées par
le condensateur (1µF) en 180 secondes sont de 8,7 mJ/m² pour la toile, 17,4 mJ/m² pour le tricot
côte 1x1 et 26,7 mJ/m² pour l’interlock [162].
En plus des applications récupération d’énergie, les matériaux et structures développés peuvent
trouver d’autres utilisations dans les domaines des capteurs ou actionneurs mécaniques par
exemple.
Ces activités sur la récupération d’énergie par des textiles piézoélectriques ont été valorisées par 2
publications [14], [24], 6 conférences [77], [83], [86], [89]–[91] et 2 communications par affiches [99],
[103] associés au travail.
3 La conversion d’énergie électromagnétique par des antennes
textiles
3.1 Introduction
Dans le contexte général de l’internet des objets (IoT), l’électronique basse consommation et les
réseaux sans fil se sont largement développés. La densité de puissance véhiculée par les ondes
électromagnétiques, principalement wifi (2,45 GHz et 5 GHz), est certes faible (environ 0.8 µW/cm² à
32 nW/cm² entre 1 m et 5 m de la borne, respectivement) mais en grande partie perdue. Ainsi,
disposer de textiles capables de récupérer l’énergie électromagnétique ambiante pourrait permettre
d’alimenter, tout ou en partie, des textiles communicants, des systèmes de type IoT ou internet des
textiles (IoTex) pour des applications non-nomades dans un premier temps.
C’est dans ce thème que s’inscrit le projet INTERREG LUMINOPTEX, débuté en janvier 2017, dont le
but final est de produire un textile pour une application de type « éclairage ambiant autonome ». Par
implémentation le textile final regroupera trois fonctions : (i) collecter l’énergie wifi par un réseau
d’antennes rectifiées, (ii) stocker et gérer l’énergie et (iii) éclairer par des OLED. Ces fonctions sont
réparties entre les six partenaires, et l’ENSAIT a en charge avec l’IEMN, la réalisation des antennes
récupératrices d’énergie.
Jusqu’à ce jour, deux stratégies ont été développées. La première a consisté à réaliser une antenne
patch assez classique dans sa conception et au comportement assez connu dans la bibliographie
[164], [165]. La deuxième stratégie s’oriente vers une antenne au design moins conventionnel. Nous
avons recruté LEBLANC Anaïs, ingénieur d’étude, pour travailler sur ce projet en collaboration étroite
avec l’IEMN pour les parties design, réalisation et caractérisation des antennes.
135
3.2 Optimisation des structures
3.2.1 Matériaux
Le consortium a fait le choix de travailler uniquement avec des techniques d’implémentation textile.
Ainsi pour la partie antenne nous avons focalisé nos activités sur la broderie. La première phase de
l’étude a été de sourcer et de tester la brodabilité des fils conducteurs. Les fils 100 % métalliques de
par leur bonne conductivité sont de bons candidats pour la réalisation d’antennes. Mais ils ne sont
pas brodables par la machine actuellement utilisée (ZSK, JF 0215-495) du fait principalement de leur
non élasticité. Ainsi, nous avons réalisé nos essais avec des fils de Polyamide métallisé argent (PA/Ag)
provenant de différents fournisseurs. Actuellement le meilleur compromis entre brodabilité et
conductivité est obtenu pour le fil Shieldex 117/17 dtex 2-ply7.
La recherche de fils très conducteurs commerciaux et brodables se poursuit d’autant plus que l’offre
ne cesse d’augmenter car les besoins de ce type de matériaux en textiles intelligents sont très
importants.
3.2.2 Antennes patch
Le design et les dimensions de l’antenne patch, présentés à la Figure 78, ont été définis par l’IEMN
[166] afin d’avoir une résonnance à 2,45 GHz et une adaptation à 50 Ohm. Elle se compose de deux
parties conductrices séparées par une épaisseur constante. La partie supérieure la constituant est en
forme de « raquette ». La partie inférieure est un plan de masse d’une surface plus grande que la
partie supérieure (surface en orange sur la Figure 78).
7 Technical data sheet, Shieldex 117/17 dtex 2-ply HC+B, No. :260121011717HC, www.statex.de, 2018
136
Figure 78 : Schéma et dimensions d’une antenne patch brodée [166]
En se basant sur ce design unique, de nombreux paramètres liés à la broderie ont été investigués
comme (i) la tension des fils, qui influence la pénétration du fil conducteur dans la feutrine et donc
diminue l’épaisseur équivalente de celle-ci, (ii) la densité des points de broderie, qui diminue la
résistance mais rigidifie et épaissie la structure, et (iii) le sens de la broderie qui semble « guider » les
lignes de champ et le courant…
Sur ce dernier point, les mesures réalisées par l’IEMN et présentées à la Figure 79, semblent montrer
une amélioration du gain d’environ 3 dB lorsque les fils de PA/Ag constituant la broderie sont placés
dans le sens du courant. Pour la suite de l’étude, ceci nous indique, qu’à défaut de pouvoir obtenir
une surface très conductrice et uniforme, il sera possible de placer les fils en fonction des simulations
de courant pour diminuer au maximum les pertes.
Les faibles gains obtenus (-7 dB pour l’antenne patch S4 par exemple, Figure 79) s’expliquent par la
désadaptation d’impédance de la ligne d’accès due aux trop fortes pertes par conduction. En effet, le
fil PA/Ag utilisé réellement est trop résistif par rapport à la valeur prise pour la simulation pour
dimensionner l’antenne. Un dessin modifié avec une ligne d’accès moins large a été proposé et sera
brodé et caractérisé.
137
(a ) Antenne patch S2
(b ) Diagramme de rayonnement de l’antenne
patch S2
(c ) Antenne patch S4
(d ) Diagramme de rayonnement de l’antenne
patch S4
Figure 79 : Photographies des antennes patch (a) S2 et (c) S4 et leurs diagrammes de rayonnements
(b) (d)
Ces résultats mitigés de rendement pour ces antennes patch sont à relativiser lorsqu’il faut prendre
en compte (i) la nécessité d’un plan de masse et (ii) la consommation importante de fils conducteurs.
En effet, sous la partie brodée textile doit être placé un plan de masse conducteur (en orange sur la
Figure 78). Pour nos essais, nous avons utilisé une feuille d’aluminium de 18 µm collée avec un
adhésif de 210 µm. Ce plan de masse non textile rigidifie la structure et complexifie l’assemblage.
Des solutions d’enduction ou d’impression ont été exclues car les niveaux de conductivité à atteindre
sont très importants. Concernant la consommation de fils conducteurs, nous estimons qu’une
138
antenne patch contient environ 21 m de fil PA/AG pour une antenne qui couvre 270 cm² (plan de
masse compris, voir Figure 78). Ainsi un textile d’ameublement de 1 mètre carré contiendrait 37
antennes et donc 780 m de fil PA/AG.
3.2.3 Antenne bifilaire à résonateurs
L’antenne patch a un design très simple et est de manière générale facile à mettre en œuvre mais
n’est pas vraiment adaptée au textile dû notamment à la présence d’un plan de masse entièrement
métallique. Des designs alternatifs sont donc recherchés. Les simulations réalisées à l’IEMN ont
montré qu’une antenne bifilaire, à laquelle sont ajoutés des résonateurs sous forme de boucles
ouvertes pour guider les ondes, pouvait être une alternative intéressante (Figure 80).
(a )
(b )
Figure 80 : Schéma et dimensions d’une antenne bifilaire à résonateurs. (a) vue d’ensemble, (b) zoom
sur l’un des résonateurs (IEMN)
Pour l’antenne présentée à la Figure 80, et pour avoir une résonnance à 2,45 GHz, les dimensions
doivent être typiquement de g = 2,54 mm, c = 0,5 mm, g1 = g2 = g3 = 1 mm, l0x = 13 mm et
11,5 mm > l1x > l2x > l3x > l4x > 6,2 mm.
Le design est assez simple mais la difficulté vient de la faiblesse, et de la précision, des dimensions à
respecter sur la brodeuse industrielle. Les premières versions d’antennes produites sont constituées
d’un fil de cuivre maintenu par broderie pour la partie bifilaire (en rouge sur la Figure 81) et de
résonateurs brodés en PA/Ag (en gris sur la Figure 81).
139
Figure 81 : Photo d’une antenne bifilaire à résonateur brodé
Concernant la consommation de fils conducteurs, nous estimons qu’une antenne bifilaire à
résonateurs contient environ 2 m de fil PA/AG pour une antenne qui couvre 16 cm². Ainsi nous
pourrions obtenir une densité maximum de 625 antennes par mètre carré pour un textile
d’ameublement par exemple.
Les caractérisations électromagnétiques de cette configuration d’antenne sont en cours à l’IEMN.
3.3 Conclusion
Les applications IoT vont se multiplier et s’enrichir avec l’électronique basse ou très basse
consommation. L’autonomie de ces systèmes pourrait encore être accrue en ajoutant des
récupérateurs d’énergie à base d’antenne pour des applications dans l’habitat par exemple.
Le projet INTERREG LUMINOPTEX permet à un consortium multidisciplinaire transfrontalier, Belgique
– France, de travailler efficacement sur une application de type « éclairage ambiant autonome ».
Dans ce contexte, nous avons collaboré plus étroitement avec l’IEMN pour produire, jusqu’à
maintenant, deux design d’antenne. L’antenne au design classique a montré des résultats mitigés en
termes de gain et une faible transférabilité industrielle. La seconde antenne au design plus adapté
aux technologies textiles est en cours de caractérisation.
140
4 Le transfert d’énergie et de données par des structures textiles
4.1 Introduction
Dans cette partie, deux axes sont traités, le guidage d’onde par les métamatériaux et les antennes
pour communication en champ proche (Near Field Communication, NFC).
Le guidage d’onde de surface peut trouver des applications dans le domaine du on body
communication. Le but est, par exemple, de faire communiquer entre eux les éléments d’un système
présents dans le vêtement d’une personne par des ondes électromagnétiques qui ne parcourent que
celui-ci. Dans ce cas, il n’y a pas d’émission d’informations en dehors du vêtement. Le but premier
des études associées à cet axe est d’obtenir un guide d’onde métamatériau textile puis de le
caractériser. Néanmoins ces études, ont permis, sous l’impulsion de l’IEMN de déterminer, à partir
des données expérimentales, des propriétés électromagnétiques équivalentes manquantes dans le
domaine des métamatériaux textiles.
Les investigations sur le NFC sont plus récentes et permettront, à terme, d’alimenter et de gérer un
réseau de capteurs présent sur les vêtements, ou les sous-vêtements, avec un smartphone. L’intérêt
est de disposer d’un e-textile sans batterie et donc plus fiable vis-à-vis de l’entretien.
Sur ces thématiques, la collaboration a débuté en 2014 avec l’équipe DOME (Dispositifs Opto- et
Micro-Electroniques) de l’IEMN par la production de quelques échantillons et s’est poursuivie avec le
Master de HUPPE Camille et la thèse de GARNIER Baptiste financée par le projet ANR CONTEXT qui a
débuté en janvier 2018.
4.2 Travaux sur les métamatériaux textiles
4.2.1 Principe et réalisation des structures
Les métamatériaux sont apparus au milieu des années 90’ lorsque la technologie a permis d’obtenir
une structuration spécifique métal/diélectrique de la matière avec des dimensions plus petites que
les longueurs d’ondes étudiées. En fonction de la taille, de la forme et de la composition des
structures, il est possible d’obtenir de nouveaux matériaux possédant des propriétés non
rencontrées dans la nature comme des valeurs de permittivité et perméabilité négatives ou
inférieures à l’unité. Ainsi, il est possible, par exemple, avec de tels matériaux de manipuler les ondes
électromagnétiques et d’en faire des guides d’ondes. Les métamatériaux sont historiquement
réalisés sur des structures rigides mais récemment des premiers travaux sur des structures souples et
textiles ont été publiés [167], [168]. Le but du travail conjoint avec l’IEMN est de ne pas implémenter
les textiles avec les métamatériaux mais d’intégrer directement les guides d’ondes lors de la mise en
œuvre du textile par tissage ou tricotage.
141
Les phases de notre collaboration sur ce projet ont consisté à, premièrement, définir conjointement
un motif de structure qui nous paraissait, d’après nos expériences respectives, tissable et qui pourrait
présenter un caractère métamatériau intéressant. Ensuite, l’IEMN simule une structure équivalente
(avec le logiciel HFSS de Ansys) pour définir et ajuster finement toutes les dimensions pour obtenir
des réponses dans les fréquences souhaitées. Les données d’entrée concernant la permittivité des
matériaux sont issues de la littérature et nous apportons notre expertise en conduisant le choix
quant à la nature des fils textiles métalliques et diélectriques. L’étape relative à la réalisation des
échantillons est réalisée au GEMTEX. Finalement, les textiles sont caractérisés
électromagnétiquement à l’IEMN (en transmission et réflexion) et les données comparées aux
simulations initiales. Dans certain cas, des permittivités complexes équivalentes des textiles sont
déterminées et permettent d’enrichir les bases de données bibliographiques.
La Figure 82 représente schématiquement le métamatériau et sa structure équivalente simulée. Il
s’agit d’une armure toile composée en trame de monofilaments diélectriques en Polyamide /
Polyuréthane de diamètre 1,3 mm (dT, en vert sur la Figure 82) et en chaine de monofilaments de
0,2 mm de diamètre (dCD et dCC). Ceux-ci sont soit en cuivre gainé (0,15 mm de cuivre nu, en orange
sur la Figure 82) soit en PET (en bleu sur la Figure 82). Les monofilaments de cuivre sont tissés par
paire et chaque paire est séparée par huit monofilaments de PET pour obtenir une période pY de
2 mm.
Figure 82 : (a) Schéma d’ensemble du métamatériau tissé, (b) vue en coupe et (c) structure
équivalente simulée (IEMN) [97]
La Figure 83 montre le tissu produit sur une machine manuelle ARM (Patronic B60) avec les fils listés
ci-dessus. Les mesures dimensionnelles montrent que la période réelle pY est de 1,95 mm et pX est de
5,34 mm. Cet écrasement de la structure sera pris en compte lors des prochaines simulations et
mènera à nous intéresser à l’homogénéité des structures et à son influence sur les propriétés
électromagnétiques.
142
Figure 83 : Tissu métamatériau obtenu à partir de fils de cuivre et de fils diélectriques d’après Figure
82 [16]
Le tissu produit et présenté à la Figure 83 nous a permis de montrer la faisabilité de métamatériaux
textile et de confirmer le bienfondé de notre collaboration. Néanmoins, une partie des fils
diélectriques employés a un diamètre important et donc la structure produite est très rigide.
D’autres tissus ont été réalisés dans le cadre du projet de fin d’étude de HUPPE Camille dans le but
de produire des textiles plus souples sur une machine semi-automatique et de tester d’autres motifs
métamatériaux.
Ainsi une toile (30 × 30 cm), avec, en chaîne, des monofilaments de PET de 100 µm (18 /cm) et en
trame, des monofilaments de cuivre émaillé de 81 µm a été produite sur une machine automatique
CCI SL8900S (Toile PET100/Cu81). L’utilisation de monofilaments de diamètre plus faible permet de
diminuer les valeurs des périodes pX et pY autour de 0,5 mm (voir chapitre 4.2.3) et aussi d’obtenir
une surface avec des caractéristiques plus en accord avec ce que l’on peut attendre d’un textile en
termes de finesse et de souplesse [79].
4.2.2 Mise en évidence d’une réfraction négative et d’une avance de phase
Les résultats résumés dans cette partie sont exclusivement issus de mesures réalisées à l’IEMN sur
les structures textiles mis en œuvre au GEMTEX.
L’obtention d’un métamatériau possédant un indice de réfraction négatif est un préalable à la
manipulation et au guidage des ondes électromagnétiques. Pour qu’un matériau ait une réfraction
négative, il faut qu’il possède à la fois une permittivité et une perméabilité négative. Pour les
structures qui nous concernent, la permittivité négative est obtenue classiquement par le réseau de
fils métalliques et la perméabilité négative est générée par la résonance entre ces mêmes fils.
La Figure 84 présente, en exemple, les mesures de module et de phase de la transmission à travers la
toile PET100/Cu81 autour de 500 GHz. Les 3 courbes donnent les valeurs minimales, moyennes et
maximales obtenues lors des mesures. La dispersion observée (glissement des pics) est directement
reliée à la dispersion des périodes pX et pY du métamatériau et donc à la « qualité » de fabrication du
tissu.
143
Figure 84 : Module et phase de la transmission à travers un tissu métamatériau (minimum, moyenne
et maximum des mesures) [79]
La Figure 84 montre une transmission juste sous 500 GHz (fT~1) à -2 dB et quasi indépendante de la
dispersion. Au contraire, la fréquence de réjection (fR) est, elle, dispersée autour de 490 GHz. Nous
pouvons également noter que le textile se comporte comme un filtre passe haut avec une
atténuation en dessous de -12 dB et une transmission au-dessus de 490 GHz [79]. Ce résultat pourra
potentiellement être utilisé dans de futurs travaux pour de la sélection de fréquence en protection
électromagnétique par exemple. Sur le graphique de phase de la Figure 84, entre la rejection (pic) et
500 GHz, une avance de phase est observée avec un saut autour de 100°. Dans cette bande de
fréquence, le métamatériau textile est alors équivalent à un matériau avec un indice de réfraction
négatif.
4.2.3 Homogénéité des structures et détermination des propriétés électromagnétiques
équivalentes
Pour nos métamatériaux tissés avec des armures proches de celles présentées Figure 82 et Figure 83,
les simulations réalisées par les équipes de l’IEMN montrent que les fréquences de rejection (fR) sont
très sensibles aux dimensions des motifs et notamment aux dimensions pX et pY. Par exemple, la
Figure 85 présente des courbes simulées d’ondes transmises à travers un tissu pour pX = 0,55 mm et
des pY variables de 0,46 à 0,54 mm.
Figure 85 : Transmission simulée pour un métamatériau tissé avec pX = 0,55 mm et pY variable [79]
144
Sur ces courbes (Figure 85), un glissement de plusieurs dizaines de gigahertz est observé pour une
variation de pY de 0,08 mm. Ainsi, il nous a semblé important de quantifier l’homogénéité atteinte
par le tissage du point de vue des dispersion des valeurs de pX et pY.
BURGNIES Ludovic (IEMN, groupe DOME) a mené une étude en microscopie optique et mesuré 304
périodes pX et 373 périodes pY dont les résultats sont présentés à la Figure 86 et dans le Tableau 14.
Figure 86 : Distribution des mesures des périodes pX et pY [79]
Tableau 14 : Valeurs statistiques pour les périodes pX et pY [79]
Il résulte de ces mesures que l’on peut affirmer que le tissage est homogène en termes de période.
Le CV%px est de l’ordre de 0,5 % et le CV%py de 2 %. Le fait que la distribution des mesures pour pX
soit plus proche d’une Gaussienne (Figure 85) et plus resserrée s’explique par le fait, qu’en sens
chaine lors du tissage, l’écartement des fils est imposé par le peigne. Par contre, dans le sens trame,
la dispersion est plus importante car l’écart des fils dépend de l’avancée du tissu et du tassement
mécanique effectué par le peigne. Ces bons résultats dimensionnels encouragent la possibilité de
pouvoir produire des textiles métamatériaux avec des machines industrielles.
Ces travaux sur les métamatériaux ont également mis en lumière le manque de données dans la
littérature concernant par exemple, les valeurs de permittivité des matériaux textiles seul et mis en
œuvre (tissés, tricottés...). Ainsi l’IEMN, à partir des tissus métamatériaux et des mesures de
transmission (donnant accès à la partie réelle de la permittivité équivalente du tissu), a appliqué une
loi des mélanges pour déterminer la permittivité complexe d’un tissu diélectrique [101]. Ces travaux
débutés en 2017 vont permettre, à terme, de nourrir les simulations de structures métamatériaux ou
antennes patch pour la récupération d’énergie par exemple.
4.3 Travaux sur le NFC
Les travaux sur le Near Field Communication (NFC) ont débuté en janvier 2018 avec la thèse de
doctorat de GARNIER Baptiste financée par le projet ANR Context.
145
La genèse du projet vient du constat que l’implémentation des textiles par de l’électronique (capteur,
actionneur etc…) pour en faire des e-textile permet de réaliser des prototypes fonctionnels.
Cependant, les exemples sur le marché sont rares à cause des problèmes liés à l’alimentation
électrique : fiabilité des connectiques dans le cas des alimentations démontables et durée de vies des
batteries non démontables.
Un des principaux points de faiblesse vient des liaisons (souvent filaires) existantes entre les
éléments électroniques. D’une part, lors de la réalisation du vêtement (confection par exemple), leur
mise en place complexifie les process et d’autre part lors de l’usage des vêtements, les lavages,
repassages etc…fragilisent ces connectiques qui finissent par casser et rendre le e-textile inopérant.
Ainsi, se passer, tout ou en partie, de ces connectiques faciliterait la conception et augmenterait la
durée de vie des e-textiles.
Ainsi, le but global du projet est de développer des textiles communicants embarquant des
technologies radiofréquences (RF) et de l’électronique pour de la communication on body (Wireless
Body Area Networks (WBAN)). Une des applications visée est, par exemple, de se servir du
smartphone pour alimenter et gérer un réseau de capteurs pour le monitoring ECG, sans fil, répartis
dans des sous-vêtements.
Le projet CONTEXT contient deux volets, un premier focalisé sur le NFC, orienté alimentation, et un
second focalisé sur l’Industrial, Scientific, and Medical band (ISM), orienté données. Les équipes de
l’IEMN, du LEAT et de l’ENSAIT apporteront leurs compétences sur ces deux thèmes liés mais
l’ENSAIT est responsable de la partie NFC. Concernant la gestion de l’alimentation, le projet vise à
utiliser principalement, le smartphone, positionné dans une poche, en tant que source d’énergie sans
contact.
Le plan de travail prévu consiste, dans un premier temps, à remplacer l’antenne d’un module NFC
existant (X-Nucleo-NFC04A1, STMicroelectronics8) par des antennes textiles réalisées par broderie ou
techniques apparentées qui ont montré des résultats encourageants [169]. Ainsi nous pourrons nous
concentrer sur le sourcing de fils textiles conducteurs à broder, les paramètres de broderie et
investiguer les effets de ces 2 paramètres sur les performances du système. En parallèle, l’utilisation
d’outils de simulation simple devrait nous permettre d’ajuster le dessin de l’antenne (nombre,
écartement et diamètre des spires notamment) en fonction des propriétés électriques et
électromagnétiques des matériaux textiles mis en œuvre et ainsi obtenir la réponse fréquentielle
souhaitée et adapter les impédances des éléments (antennes et circuits complémentaires). Dans une
deuxième phase, l’accent sera mis sur la réalisation directe d’antennes lors de la fabrication des
textiles par des techniques de tricotage par exemple. Le but est de limiter les étapes
d’implémentation mais aussi de réaliser des structures 3D autour du corps. Sur ce dernier point, des
équipes ont obtenu des résultats encourageants avec un système de transmission autour du bras
[170]. Bien sûr, compte tenu de la nature et de l’usage final du système, nous mènerons une étude
sur la déformation des antennes textiles et de l’impact sur les liaisons RF.
8 http://www.st.com/en/ecosystems/x-nucleo-nfc04a1.html, Juin 2018
146
4.4 Conclusion
Les travaux conjoints avec l’IEMN sur les métamatériaux ont montré que des propriétés
électromagnétiques intéressantes (réfraction négative, avance de phase…) étaient atteignables par
des textiles. L’intérêt de ces structures réside, entre autres, dans les moyens de productions qui
permettent d’envisager la réalisation rapide de motifs répétés sur de grandes surfaces. Le champ
d’investigation est encore vaste et nous pourrions nous diriger à l’avenir vers des structures plus
épaisses ou en 3D.
Le guidage d’onde et le NFC sont de bonnes alternatives à la connectique standard (filaire ou
imprimée) pour des applications on body, mais ces technologies restent largement à investiguer pour
arriver à maturité. Le projet ANR CONTEX, permettra à notre partenariat d’aller dans cette direction
et de proposer à terme des solutions de communication sans fil plus fiables pour, par exemple, la
mise en réseaux des capteurs.
Ces activités sur le développement de textiles pour le transfert d’énergie et de données ont été
valorisées par 2 publications [16], [22], 3 conférences [73], [79], [80] et 4 communications par
affiches [97], [101], [102], [104].
5 Synthèse
Les applications textiles, énergie et transfert de données vont se multiplier et s’enrichir avec
l’électronique basse ou très basse consommation développée dans le cadre de l’IoT. Les travaux que
nous avons menés sur la récupération d’énergie mécanique par des polymères piézoélectriques ont
mis en évidence l’importance des structures textiles mises en œuvre pour, par exemple,
avantageusement produire de l’énergie par compression. Les énergies produites sont faibles mais les
matériaux et structures développées peuvent trouver d’autres applications dans le domaine des
capteurs ou actionneurs mécaniques par exemple.
Dans le contexte de la récupération d’énergie électromagnétique pour un éclairage ambiant
autonome, nous avons collaboré étroitement avec l’IEMN pour produire différents designs
d’antennes qui sont en cours de caractérisation.
Enfin, des travaux plus amont avec l’IEMN sur les métamatériaux ont montré que des propriétés
électromagnétiques intéressantes (réfraction négative, avance de phase…) étaient atteignables par
des structures textiles tissées. Ces travaux ouvrent des champs d’investigations vastes dans le
domaine de la manipulation des ondes électromagnétiques et nous pourrions nous diriger à l’avenir
vers des structures plus épaisses, plus complexes et/ou en 3D.
Cette thématique met particulièrement en avant notre capacité à traiter un sujet très transversal aux
entrées matériaux, structures, systèmes et électroniques.
Ces activités sur la conversion d’énergie et le transfert de données par les textiles ont été valorisées
par 4 publications, 9 conférences et 4 communications par affiches.
147
Cinquième partie – Travaux sur la fiabilisation, la durabilité et la
normalisation des systèmes textiles intelligents
1 Introduction
Ces dernières années, les textiles intelligents et les e-textiles ont gagné en maturité. Les concepts
sont prouvés, des prototypes et des démonstrateurs existent et sont présents dans les laboratoires,
et les start-ups, ils sont visibles dans les salons ou sur internet. Seuls quelques produits, en petite
série, sont disponibles sur le marché mais avec des fonctionnalités basiques et/ou une intégration
textile limitée9. Un des principaux freins à l’accès aux marchés plus importants vient du décalage
existant entre l’usage quotidien des textiles, notamment le lavage, et l’usage actuel possible de
l’électronique, des connectiques et des batteries intégrées aux e-textiles. Par exemple, un T-shirt a
une durée de vie moyenne d’une cinquantaine de lavage [171] bien loin de ce que peuvent supporter
des composants électroniques standards.
Dans les e-textiles, les parties les moins textiles (électronique de contrôle, certains capteurs,
batteries…) sont soit très encapsulées soit amovibles pour tenter de supporter ou d’éviter le lavage.
Les parties les plus textiles (interconnexion, électrodes, antennes, certains capteurs…) ne sont pas
lavables, supportent au mieux quelques lavages (une dizaine maximum9) et/ou deviennent des
produits « consommables » (cas des ceintures pour la mesure de fréquence cardiaque pour le sport).
Ainsi, il est important de travailler sur la fiabilisation des e-textiles et le projet avec la société
@Health, portant sur la conception d’une brassière pour le monitoring cardiaque, fournit un cadre
parfait. Cependant, nous avons fait rapidement le constat que l’effet des lavages domestiques sur les
e-textiles (et notamment les interconnexions) n’avait jamais été investigué en détail. A l’issu du
lavage, des détériorations sont constatées mais leurs origines ne sont pas ou sont mal connues. Ainsi
la deuxième partie de ce thème de recherche expliquera les travaux amorcés dans le but de
comprendre l’influence du lavage sur les interconnexions et comment nous travaillons à la
proposition de tests pour évaluer la fiabilité de composants e-textiles.
9 Levi’s Commuter X Jacquard By Google, http://atap.google.com/jacquard/, Juillet 2018
148
2 Fiabilisation d’une brassière pour le monitoring cardiaque
2.1 Introduction
Les travaux sur la fiabilisation d’une brassière pour le monitoring cardiaque s’inscrivent dans la thèse
CIFRE d’ANKHILI Amale débutée en juillet 2016 et visant à la conception d’un textile instrumenté
pour le monitoring pour la société @Health10. Ce cas concret est un bon exemple de développement
à l’interface matériau / structure / traitement. Le service proposé par la startup @Health, consiste en
l’association d’un dispositif médical connecté totalement intégré au sous vêtement à un système
d’évaluation en temps réel des risques de pathologies cardiovasculaires. Des serveurs analysent les
signaux collectés sur le patient et alertent médecin traitant ou cardiologue en cas de détection
d’anomalie. Le but est d’effectuer de la médecine prédictive car la personne connectée est prévenue
précocement du risque de survenance d’un trouble cardiaque.
L’ENSAIT a en charge le développement du sous vêtement contenant les électrodes de mesure et le
module électronique. Le verrou technologique identifié est lié au lavage du sous-vêtement qui sera
utilisé comme n’importe quel sous vêtement.
Nous avons, conjointement avec la startup, mis au point des procédures de tests et validation des
électrodes produites et cyclées en lavages domestiques. Le but étant d’obtenir des électrodes
capables de mesurer des signaux ECG même après 50 lavages.
Ce chapitre présente, en exemple, la structure d’ensemble d’une brassière connectée puis, les
matériaux utilisés et leurs caractérisations. Enfin seront, exposés les dispositifs mis au point pour
évaluer directement la possibilité d’obtenir des mesures ECG exploitables par les cardiologues.
2.2 Structure de la brassière
2.2.1 Vue d’ensemble
La structure du dispositif est simple. Il est constitué d’un support textile élastique sur lequel sont
disposés 3 électrodes (deux à gauche côté cœur et une à droite) et un module électronique (Figure
87). Le support textile peut être une brassière, une ceinture ou être entièrement intégré à un T-shirt
par exemple. Les 3 électrodes sont nécessaires pour avoir accès à l’électrocardiogramme (ECG) et pas
seulement au rythme cardiaque. Le système est prévu pour fonctionner sans gel ionique et sans
besoin de sudation. La notion de confort pour le porteur est importante puisque le système doit être
porté tout au long de la journée. De ce fait, le signal ECG doit être obtenu sans pression importante
des électrodes sur le corps et le système doit être au maximum textile au niveau de son
comportement (touché, échanges thermiques etc…).
10
@-Health, CardioNexion http://www.healthcardionexion.com/, Juillet 2018
149
Figure 87 : Vue des 3 électrodes et du module électronique (factice) sur la brassière @Health
2.2.2 Electrodes
Les électrodes sont en contact direct avec la peau et doivent fonctionner sans gel ionique
contrairement aux mesures habituelles d’ECG [172]. Une mesure sans gel permet une plus grande
acceptabilité de la part de l’utilisateur et évite certaines réactions cutanées. Par contre l’impédance
de contact entre l’électrode et la peau est plus variable d’un individu à l’autre et au cours des
mesures, en fonction des mouvements, de la sudation etc…
Des électrodes entièrement métalliques (rigides) ou métalliques déposées en couches minces
(flexibles) existent et sont déjà utilisées mais n’ont pas un caractère textile et ont une résistance au
lavage limitée [23].
Nos investigations tendent à montrer que des électrodes d’au minimum 7 cm² donnent des résultats
satisfaisants.
Dans cette étude, nous avons investigué deux voies pour réaliser des électrodes ECG : (i) la
fonctionnalisation par du PEDOT:PSS et (ii) l’implémentation par confection de textiles conducteurs
commerciaux. Dans les deux cas, plusieurs textiles supports rencontrés couramment en habillement
seront testés (coton, coton/élasthanne, polyamide, polyamide/élasthanne, PET…tissu, tricot). Les
matériaux utilisés et les principaux résultats sont résumés dans le chapitre 2.3.
2.2.3 Connectique
Les liaisons électriques entre les électrodes et le module électronique sont effectuées par broderie
du fil Shieldex 117/17 dtex 2-ply11. Ces fils de liaison ne doivent pas être en contact avec la peau et la
broderie permet de réaliser une « couverture » qui sert également de protection mécanique contre
les frottements. Au besoin ces liaisons peuvent être protégées par la pose d’un film polyuréthane
thermoplastique (TPU).
Coté carte électronique, lors de la broderie de la liaison électrique, la brodeuse perfore et brode le fil
conducteur sur des bornes du module électronique spécialement conçu pour le projet. Une
encapsulation finale permet de figer la liaison mécanique.
11
Technical data sheet, Shieldex 117/17 dtex 2-ply HC+B, No. :260121011717HC, www.statex.de, 2018
150
Coté électrodes, le mode de liaison n’est pas finalisé et dépendra de la technologie d’électrode
choisie par l’entreprise partenaire.
2.2.4 Module électronique
Le module électronique propre au système CardioNexion12 est développé à part de la thèse
d’ANKHILI Amale. Il sera capable d’envoyer les signaux ECG vers le smartphone. Sans attendre la
version finale de ce module, pour intégrer au mieux les volumes dans le futur vêtement et pour
développer les connectiques, nous travaillons avec des maquettes. Elles sont composées de bornes
de connexion, de pistes conductrices et de résistances et/ou LED pour vérifier le bon
fonctionnement.
2.3 Présentation et évaluation des matériaux d’électrodes
2.3.1 Electrodes à base de PEDOT:PSS
Fort de nos expériences précédentes dans le cadre du développement de capteurs (partie 3), nous
nous sommes orientés vers l’utilisation d’une formulation de PEDOT:PSS commerciale de chez
Heraeus (Clevios 105D). Les propriétés de la dispersion et sa composition sont données à la Figure 37
(page 94). Cette solution est prévue pour former des dépôts minces et très conducteurs sur des
substrats plastiques de type film. Pour garantir une accroche optimale sur une grande variété de
substrats textiles, cette solution commerciale a été modifiée par ANKHILI Amale. Le procédé de
modification développé dans le cadre de la thèse CIFRE est confidentiel et ne sera pas décrit ici.
Les électrodes à base de PEDOT:PSS sont obtenues par dip-coating. Les différents textiles sont
plongés dans la solution modifiée, égouttés puis séchés à 110°C pendant 1h (conformément aux
spécifications de la fiche technique du Clevios 105D). Les textiles ayant des degrés d’hydrophilie,
structures et porosités différents, la masse de PEDOT:PSS absorbé par les textiles est variable. Les
pourcentages massiques de PEDOT:PSS absorbé par trois tricots en coton, polyamide et polyester
sont présentés au Tableau 15.
Tableau 15 : Pourcentages massiques de PEDOT:PSS absorbé par des tricots de différentes natures
[23]
Les différences de masses absorbées sont importantes et vont pratiquement du simple au double
pour le polyester et le coton, respectivement.
12
@-Health, CardioNexion http://www.healthcardionexion.com/, Juillet 2018
151
Les textiles imprégnés sont découpés pour mesurer de la résistivité surfacique (ASTM D 257-99,
mesures avec dispositif Keithley 8009). Les résultats obtenus sont présentés au Tableau 16.
Tableau 16 : Résistivité surfacique des tricots de différentes natures imprégnés de PEDOT:PSS [23]
Les résistivités obtenues sont élevées et au-delà de ce qui pouvait être attendu. La très forte rugosité
et porosité des textiles ne permet pas d’obtenir un dépôt continu en surface malgré les quantités de
PEDOT:PSS relativement importantes absorbées (Tableau 15) et cela nuit à la conductivité globale
des électrodes. Le coton imprégné propose la plus faible résistivité de surface, en accord avec la
masse de PEDOT:PSS absorbée qui est élevée.
Pour évaluer les performances électriques des électrodes dans un contexte d’usage habillement,
nous avons suivi l’évolution des résistivités surfaciques après des lavages. En accord avec la norme
EN ISO 6330 Juin 2012 [173], nous avons appliqué jusqu’à 50 lavages à 30 rpm, 40°C pendant 30 min.
à l’issu de chaque lavage, les échantillons sont séchés à l’air libre (20°C, 65 %HR) et la résistivité de
surface est mesurée. Les résultats obtenus sont présentés à la Figure 88.
Figure 88 : Evolution de la résistivité surfacique des tricots de différentes natures imprégnés de
PEDOT:PSS en fonction du nombre de lavage subi [82]
Pour les électrodes à base de coton ou de polyamide, la résistivité varie quasi linéairement avec le
nombre de cycles. Cependant après 50 cycles, la résistivité pour les électrodes à base de coton
n’augmente que de 4,9 fois contre 9,2 fois pour le polyamide. Les électrodes à base de polyester ne
donnent pas de bons résultats, la dégradation pour ce qui est de la résistivité, est constatée à partir
de 22 cycles de lavage.
Fort des précédents résultats, des électrodes à base de coton ou de polyamide sont découpées et
positionnées dans une brassière pour évaluer la qualité des mesures ECG. Les résultats sont
présentés au chapitre 2.4.3. A terme le PEDOT:PSS pourra être déposé (par impression, enduction…)
directement sur le vêtement, économisant une étape de confection.
152
2.3.2 Electrodes à base de tricot PA/Ag
La confection peut permettre d’implémenter une brassière existante avec un textile conducteur
commercial pour constituer des électrodes ECG. Pour cette voie de développement, nous avons
sélectionné un jersey simple en polyamide argenté de 130 g/m² 13 et de résistivité surfacique de
21,4 kΩ. La tenue au lavage de ces électrodes est modérée puisque jusque 20 cycles la résistivité est
assez stable avec une augmentation de seulement 20 %. Mais entre 40 et 50 cycles, la détérioration
est extrêmement importante et se traduit par une augmentation de la résistivité d’un facteur 1000.
Comme constaté dans d’autres études, la tenue au lavage de ce type de matériaux est un point
bloquant et demande à être suivi plus en avant.
2.4 Evaluation du système ECG
2.4.1 Introduction
Le module électronique propre au système CardioNexion14 est développé à part de la thèse
d’ANKHILI Amale. Dans le cadre du développement d’électrodes, compte tenu du grand nombre
d’échantillons (nombre de supports textiles important, nombre de lavages important, etc…) nous
avons besoin de réaliser des mesures rapides, discriminatoires et pertinentes.
Les mesures rapides, et déjà présentées, concernent la résistivité de surface des électrodes. Cette
mesure rend compte de la « santé » de l’électrode (après lavage par exemple) et permet de faire
globalement un tri entre les électrodes suffisamment conductrices ou non. Par contre, cette mesure
se réalise sur électrode seule et ne rend pas compte du système complexe corps
humain/peau/électrode parcouru par des signaux électriques de multiples fréquences.
Des mesures d’impédances de contact permettent de mener des caractérisations sur un système plus
réaliste mais au final plus complexe à mettre en œuvre et à interpréter. Au final, nous avons
développé un système de mesure ECG simple, et validé par des cardiologues, qui va nous permettre
de quantifier la qualité des électrodes développées.
2.4.2 Mesure de l’impédance de contact
L’impédance de contact est une mesure plus pertinente du comportement électrique du système
peau/électrode. Une valeur d’impédance faible permet la mesure d’un meilleur signal ECG et de
réduire le bruit. Le but de l’étude est de déterminer l’impédance de contact de nos électrodes en
coton imprégné de PEDOT:PSS et de la comparer avec les valeurs obtenues pour des électrodes
médicales commerciales argent/chlorure d’argent (Ag/AgCl).
13
http://www.inntex.com, référence PW020, Juillet 2018 14
@-Health, CardioNexion http://www.healthcardionexion.com/, Juillet 2018
153
Comme postulé dans d’autres études, l’interface peau/électrode est similaire à une interface
électrode/électrolyte puisque le derme et l’épiderme renferment de nombreux ions conducteurs.
Nous avons utilisé un circuit équivalent proche de ce que propose WEBSTER [174] et présenté à la
Figure 89 avec Rs la résistance totale de l’électrode, de la peau et des câbles, RCt la résistance due au
transfert des charges entre la peau et l’électrode et Cdl, la capacité entre la peau et l’électrode. Pour
ce circuit, l’impédance équivalente est donnée par l’Équation 11.
Figure 89 : Circuit équivalent modèle de l’interface peau/électrode [84]
Un potentiostat Autolab équipé d’un module FRA (Metrohm B.V.) est utilisé pour mesurer la
magnitude et la phase. La mesure est réalisée en configuration 2 électrodes (la contre électrode CE et
l’électrode de référence RE sont connectées) et effectuée entre 0,1 Hz et 200 Hz. Les valeurs de Rs,
RCt et Cdl sont estimées par optimisation simultanée de la magnitude et de la phase dans l’Équation
14 et l’Équation 15 (programme Matlab) [84].
Équation 11
Équation 12
Équation 13
Équation 14
Équation 15
La Figure 90 et la Figure 91 présentent les mesures et les courbes modèles de magnitude et de phase
pour l’électrode de référence (Ag/AgCl) et l’électrode coton imprégné de PEDOT:PSS.
Z ω = Rs +
𝑅𝑐𝑡𝑗 ω × 𝐶𝑑𝑙
𝑅𝑐𝑡 +1
𝑗 ω × 𝐶𝑑𝑙
Re (Z ω ) =𝑅𝑠 + 𝑅𝑐𝑡 + (ω2 × 𝐶𝑑𝑙2 × 𝑅𝑠 × 𝑅𝑐𝑡2 )
1 + (ω2 × 𝐶𝑑𝑙2 × 𝑅𝑐𝑡2)
𝐼𝑚 𝑍 ω = − ω × 𝐶𝑑𝑙 × 𝑅𝑐𝑡2
1 + (ω2 × 𝐶𝑑𝑙2 × 𝑅𝑐𝑡2)
Z ω = 2 × 𝑅𝑒(𝑍 ω ² + 2 × 𝐼𝑚(𝑍 ω ²
Ɵ = tan−1 2 × 𝐼𝑚 𝑍 ω
2 × Re (Z ω )
154
Figure 90 : Mesures et modèles de la magnitude et de la phase pour l’électrode de référence Ag/AgCl
[84]
Figure 91 : Mesures et modèles de la magnitude et de la phase pour l’électrode coton imprégnée de
PEDOT:PSS [84]
Comme attendu, le comportement de l’électrode de référence est « propre » et se modélise assez
bien. Par contre, en ce qui concerne l’électrode en coton imprégné, le modèle usuel semble trouver
ses limites. Pour les deux électrodes, les valeurs de Rs, RCt et Cdl estimées sont présentées dans le
Tableau 17.
155
Tableau 17 : Paramètres du modèle pour les électrodes Ag/AgCl et coton imprégné de PEDOT:PSS
[84]
Les valeurs de résistances obtenues pour l’électrode à base de coton sont, comme attendu, plus
élevées, que pour l’électrode médicale commerciale. La présence d’argent en tant que matériaux
conducteur de l’électrode explique cette différence. La valeur plus élevée de Cdl pour l’électrode
Ag/AgCl est expliquée par la constante diélectrique plus importante du gel que l’interface sans gel.
L’ensemble des valeurs obtenues pour notre électrode est cohérent et modérément éloigné des
valeurs de l’électrode de référence. Ces mesures d’impédance tendent à montrer une utilisation
possible de notre électrode en coton imprégné de PEDOT:PSS pour obtenir un ECG de bonne qualité.
Néanmoins, pour caractériser nos électrodes, ces mesures d’impédance et les calculs qui en
découlent sont assez difficiles à mettre en œuvre et seront de toute façon, à la demande de notre
partenaire, à confirmer avec des mesures d’ECG sur des volontaires. Ainsi, nous avons orienté nos
caractérisations d’électrodes vers l’application finale en développant un système de mesures d’ECG
simple.
2.4.3 Mesure d’ECG
Les ECG sont mesurés soit avec (i) un appareil médical portable (Colson CardiPocket 2) qui imprime
les relevés pour validation ultérieure par un cardiologue soit avec (ii) une carte SHIELD-EKG-EMG
(OLIMEX) connectée sur un Arduino et dont les données sont traitées sous Matlab (filtre Butterworth
0,5 – 100 Hz pour éliminer les artefacts de mouvement et filtre Notch 50 Hz pour supprimer la
composante secteur).
La mesure avec l’appareil médical portable puis le contrôle par un cardiologue de la présence sur
l’enregistrement des informations nécessaires à un diagnostic est nécessaire compte tenu de
l’application finale du produit. Cette mesure référence nous permet également de valider le bon
fonctionnement du système développé en interne par ANKHILI Amale. En exemple, une comparaison
de deux enregistrements est donnée à la Figure 92.
Ag/AgCl Cotton based PEDOT:PSS
Rs (Ω)
8.1282×103
1×105
Rct (Ω) 3.4798×104 4×10
6
Cdl (F) 1.35×10
-7 7×10
-9
156
Figure 92 : Exemple d’ECG mesuré avec (a) un appareil médical portable (Colson CardiPocket 2) et (b)
une carte SHIELD-EKG-EMG (OLIMEX) connectée sur un Arduino connecté à des électrodes en coton
imprégné de PEDOT:PSS
Comme l’exemple présenté en Figure 92 et en accord avec les cardiologues, toutes nos mesures
montrent une très bonne efficacité du système de mesures développé. Ainsi, le système mis en place
va nous permettre d’évaluer nos électrodes au fil des lavages subis et d’être plus réactif dans nos
développements.
Les développements sont encore en cours, l’une des étapes suivantes serait la mise en place d’outils
de quantification de la qualité des électrodes. Une première piste est de se baser sur le SNR en
travaillant avec une peau modèle pour se passer de la dispersion des mesures dues aux individus.
2.5 Conclusion
Cette étude sur le développement de sous vêtement pour le monitoring ECG illustre concrètement
les besoins en ce qui concernent la durabilité et les difficultés lièes à la caractérisation et à la mise en
place de tests et mesures fiables qui rendent compte de la réalité.
Les électrodes développées à base de PEDOT:PSS modifié donnent des résultats satisfaisants du
point de vue du maintien de la résistivité surfacique au fil des lavages. Concernant l’impédance de
surface et des ECG obtenus, ces électrodes donnent également satisfaction avant lavage. Les
mesures sur électrodes lavées sont en cours de réalisation. La mesure d’ECG nous semble le moyen
d’évaluation le plus pertinent mais il nous reste à mettre en place les outils de quantification de la
qualité des électrodes.
157
Une des lacunes de cette étude est le manque d’investigation des effets du lavage sur les éléments
du dispositif (électrodes, liaisons électriques et module électronique). Des travaux complémentaires
essentiels seront menés dans ce sens.
Les activités sur la fiabilisation d’une brassière pour le monitoring cardiaque ont été valorisées par 1
publication [23] et 2 conférences [82], [84].
3 Lavage des systèmes textiles intelligents
3.1 Introduction
Le chapitre précédent et de nombreux travaux publiés montrent qu’il existe un réel besoin de
fiabiliser les e-textiles notamment au niveau du lavage surtout en ce qui concerne les éléments non
amovibles comme les interconnexions, les antennes, les électrodes etc. Ces éléments sont constitués
de matériaux conducteurs (métallique, CPC ou PCI) sous forme de fil ou dépôt (enduction ou
impression sur fil ou textile). Ces produits sont assez largement disponibles sur le marché, dans les
centres techniques ou dans les laboratoires, mais peu testés et comparés entre eux en ce qui
concerne leur tenue au lavage. En effet, le lavage des textiles répond à une norme (EN ISO 6330 Juin
2012 [173]) que seuls les textiliens connaissent et utilisent. Une première difficulté vient du fait que
bien souvent, dans les articles scientifiques publiés par des chercheurs extérieurs au domaine, le
terme lavage est employé pour désigner, par exemple, un rinçage à l’eau distillée ce qui est très
éloigné de la norme. Le deuxième aspect à prendre en compte concerne la non représentativité de la
norme par rapport à l’usage réel fait par le grand public. En effet les lavages domestiques sont plus
sévères notamment pour ce qui est de charge de la machine, nature et quantité de détergent, et
vitesse d’essorage. Cette forte sévérité du lavage, alliée à la complexité du procédé, a un impact très
négatif sur les développements. En effet, à l’issu d’un test non concluant, il ne sera pas possible de
lier, par exemple, la phase de lavage avec l’altération la concernant.
Ainsi, les travaux en cours réalisés par ZAMAN Shahood-Uz ont pour but de proposer des tests
mimant des étapes d’un lavage domestique pour (i) pourvoir proposer des tests simples, en
s’appuyant sur des appareils normés, de comparaison des produits entre eux et (ii) comprendre les
détériorations subies par les matériaux. Le but de ce dernier point est de pouvoir cibler les
défaillances et améliorer la fiabilité des systèmes.
3.2 Etude du procédé de lavage domestique
La norme ISO 6330 [173] donne les dimensions et les caractéristiques de la machine normée ainsi
que différentes conditions de lavages utilisables qui diffèrent surtout en température (30°C, 40°C,
50°C, 60°C, 70°C et 92°C), agitation durant le processus (normale, moyenne ou faible), temps de pose
durant le cycle et type de détergent utilisable (phosphaté ou non, avec ou sans azurant).
158
Les machines domestiques proposent des cycles de lavages différents dénommés le plus souvent :
coton, délicat, synthétique, laine, rapide…la machine utilisée pour nos tests (Miele W3240) possède
en plus des programmes délicat rapide, denim et soie. Indépendamment de leurs noms, ZAMAN
Shahood-Uz étudie ces programmes en fonction des vitesses de rotation mesurées du tambour, des
temps de rotation / pause etc…dans le but de les hiérarchiser et de mieux décrire le cycle complet de
lavage. Ainsi un lavage dans une machine domestique peut être divisé en trois parties : le trempage
(avec détergent), le rinçage (de 1 à 4 selon le programme sélectionné) et l’essorage (de 400 rpm à
1600 rpm selon le programme sélectionné). Les premiers résultats obtenus pour la machine Miele
W3240 sont donnés dans le Tableau 18.
Tableau 18 : Durées (mm:ss) des phases de différents cycles de lavages d’une machine Miele W3240
Ces premiers résultats mis en avant dans le Tableau 18 montrent trois vitesses de rotation possibles
lors du lavage (hors essorage) : 15 rpm, 38,5 rpm et 47,5 rpm. Ces données pourront être utilisées
pour définir des tests équivalents d’un point de vue des dynamiques de sollicitation. Concernant
l’étape de trempage (avec détergent, Washing dans le Tableau 18), les temps varient de 14 minutes
(Express) à plus de 52 minutes (Cotton Normal) selon le programme. Cette différence importante se
retrouve également dans l’étape de rinçage. Comme pour les vitesses de rotation, ces données nous
seront utiles pour déterminer, par exemple, des temps d’immersions, avec ou sans détergents et
avec ou sans contraintes mécaniques (rotations) pour définir de futurs tests permettant de qualifier
des composants e-textiles.
De nombreuses actions du lavage sur les e-textiles ont été recensées. Nous pouvons citer les actions
(i) mécaniques (frottement, compression, flexion…) subies lors du lavage (15 rpm, 38,5 rpm ou 47,5
rpm) ou lors de l’essorage (400 rpm à 1600 rpm) et amplifiées par la charge de la machine ; (ii)
chimiques dues aux détergents (phosphatés ou non, avec ou sans azurant, avec ou sans enzyme…) ;
(iii) thermiques dues à la température de l’eau de lavage (18°C à 92°C) ; (iv) l’action de l’eau dont la
dureté n’est pas forcement contrôlée comme dans la norme…et bien sûr les interactions entre tous
ces paramètres.
P ro gram T o tal T ime R P MInterim
T umbling
N o rmal
R unningSto p
N o rmal
R unningSto p
T umble
R unning
N o rmal
R unningSto p
T umble
R unning
Cotton
Normal89:28 38,5...47,5 46:14 6:28 15:16 7:57 5:59 0:28 0:52 6:14 Yes
Delicate 56:27 38.5 14:51 19:31 7:06 11:09 0:00 0:49 0:56 2:05 No
Delicate Short 42:33 38.5 11:27 15:29 4:42 5:57 0:00 0:45 2:00 2:13 No
Express 34:43 38.5 8:39 5:22 6:41 6:10 2:45 0:10 0:10 4:46 Yes
Silk 35:41 15 5:37 17:13 3:18 8:22 0:00 0:00 0:00 1:11 No
Woolen 40:06 15 0:44 17:25 0:34 15:39 1:40 0:00 1:04 3:00 Yes
Washing R insing T umbling/ Spinning
M M :SS F unctio ns
159
3.3 Mise en place de tests
ZAMAN Shahood-Uz a réalisé des premiers tests dans le but de trouver un équivalent purement
mécanique, par frottement, à la perte en résistance linéique que subi un fil PA/Ag cousu sur un
textile support au cours d’un cycle de lavage. Pour la mise au point des procédures, un fil unique, le
Shieldex 117/17 dtex 2-ply7 a été testé. Ce fil est cousu sur une toile de coton et frotté grâce à une
martindale (Martindale Abrasion tester, James H. Heals & Co Ltd.) sur un feutre normalisé sous 9 KPa
ou éprouvé en pilling box (Orbitor, James H. Heals & Co Ltd.) à 60 rpm. La résistance électrique du fil
est mesurée initialement puis tous les 200 cycles dans le cas de la martindale et tous les 1000 cycles
dans le cas de la pilling box. Des échantillons similaires sont lavés en utilisant le programme « soie »
de la machine Miele W3240 qui est le moins sévère (Tableau 18). Pendant le lavage le tambour
tourne à 15 rpm et à 400 rpm pendant l’essorage. Le temps total de lavage (trempage, rinçage et
essorage) est de 36 minutes. Un détergent commercial (contenant azurant, enzymes et phosphates)
a été utilisé et dosé à 1,25 g/L (conformément à la norme ISO 6330 [173]). La quantité totale d’eau
utilisée est de 16 litres. Après chaque lavage, les échantillons sont séchés à l’air libre (20°C, 65 %HR)
pendant 24 H). La Figure 93 présente l’évolution de la résistance relative des fils PA/Ag ayants subi
des cycles de lavage (Figure 93, a), des cycles d’abrasion en martindale (Figure 93, b) et de l’abrasion
en pilling box (Figure 93, c).
Figure 93 : Evolution de la résistance relative de fil PA/Ag cousus après des cycles de a) lavages, b)
abrasions (Martindale) et c) pilling box
a)
b) c)
160
Comme constaté dans des études précédentes, ZAMAN Shahood-Uz a montré que la résistance des
fils PA/Ag évolue très vite avec les nombre de lavages, elle double en 4 lavages. Ces premiers tests
permettent de définir des équivalents par rapport à la de perte de résistivité entre lavage et test
d’abrasion. Ici, 4 lavages (programme « soie » avec les conditions définies auparavant) font doubler
la résistance électrique tout comme 1800 cycles au martindale et 1100 tours de pilling box.
Ces tests ne sont qu’une première approche et doivent être transposés pour d’autres fils et pour
d’autres programmes de lavage.
Nous cherchons également à modifier les tests textiles existants pour inclure les effets couplés du
lavage. Par exemple, des procédures tests en martindale humide sont en cours de développement.
3.4 Travaux sur la normalisation
Les travaux en cours de ZAMAN Shahood-Uz ont pour but de proposer des tests reproduisant les
étapes du lavage domestique pour comprendre les détériorations subies par les matériaux mais aussi
comparer des produits entre eux. Pour aller plus loin, si les tests mis en place sont pertinents pour
nos partenaires industriels, ils pourront être mis à profit dans de futures normes. Dans ce contexte,
nous avons rédigé pour l’Association Connecting Electronics Industries (IPC) un « White Paper » (IPC-
WP-024: IPC White Paper on Reliability and Washability of Smart Textile Structures – Readiness for
the Market) [105]. Ce document explique le contexte de nos travaux en cours et les premiers
résultats obtenus (chapitre 3.2 et 3.3). Des liens entre la résistance électrique et l’état de surface des
fils PA/Ag sont également investigués et à terme seront également inclus dans notre modèle et notre
approche système.
L’American Association of Textile Chemists and Colorists (AATCC)15 a également montré son intérêt
pour nos travaux autour du lavage et du potentiel futur développement de tests accélérés dédiés aux
e-textiles. L’AATCC pourrait être partie-prenante d’une future étude puisqu’elle a accès à une base
de données très importante sur les lavages industriels.
D’autres entités, avec une entrée « électronique », expriment des besoins en matière de
normalisation. Ainsi l’International Electrotechnical Commission (IEC16) a un programme de travail
dédié au « Wearable electronic devices and technologies » (TC124). Le but est de proposer des
normes dans le domaine de l’électronique portable (sur les vêtements et le corps), incluant les
éléments patchables, implantables, ingérables et les dispositifs et matériaux textiles électroniques.
Même si des interactions sont envisageables avec ce type de groupe de travail, nos travaux vont se
focaliser sur des aspects plus textiles qu’électroniques.
15
American Association of Textile Chemists and Colorists, https://www.aatcc.org/, Septembre 2018 16
International Electrotechnical Commission, http://www.iec.ch/, Septembre 2018
161
3.5 Conclusion
Les travaux débutés sur le lavage des textiles intelligents ont pour l’instant permis de découper le
lavage domestique en différentes phases de sollicitations et de mettre au point des tests
préliminaires. Ils sont basés sur des appareils de métrologie normalisés, doivent permettre de
comprendre les dégradations subies par les matériaux, classer les produits du marché, puis, à terme
proposer des tests normés. Sur ce dernier point, des travaux avec l’IPC sont amorcés.
Ces activités sur la fiabilisation des systèmes textiles intelligents ont été valorisées par 1 white paper
[105] et 1 conférence [87].
4 Synthèse
Pour conquérir le marché grand public les e-textiles doivent se fiabiliser, résister aux usages et
notamment aux lavages. Cela est d’autant plus vrai lorsque les applications concernent l’habillement
ou les sous-vêtements. Actuellement, uniquement des produits possédant de l’électronique intégrée
« grossièrement », car surprotégée, sont disponibles. Pour attendre une meilleure acceptabilité de la
part du consommateur, l’implémentation doit être d’un plus haut niveau17.
Cette partie montre, en exemple, le travail en cours de réalisation sur une brassière où nous mettons
à profit notre expérience de l’utilisation du PEDOT:PSS pour le modifier et ainsi augmenter la durée
de vie au lavage des électrodes ECG. Ce travail sur les matériaux est primordial mais souffre d’un
manque de données amont sur le lavage. Comme dans de nombreuses autres études, à l’issu d’un
lavage, le fonctionnement ou non d’une électrode, ou d’une interconnexion est constaté mais sans
savoir quelle étape a causé les dommages irréversibles. Ainsi, les travaux amorcés et futurs portent,
premièrement, sur l’étude du lavage domestique avec son découpage en phases et la recherche de
toutes les contributions et interactions entre les contraintes mécaniques, thermiques, chimiques etc.
puis, à terme sa modélisation pour prévoir ses effets sur les futurs e-textiles. Deuxièmement et en
parallèle, nous mettons en place des tests pour simuler l’effet de certaines étapes du lavage
domestique sur les fils de connexion. En effet, par expérience, c’est sur ces éléments qu’est localisée
la majorité des défaillances et ce sous-système inclut une grande partie de l’ensemble des
problématiques rencontrées lors du développement de e-textile.
A terme, en complément de travaux déjà existants18, et en travaillant avec des institutions
renommées, nous allons proposer des tests normés sur l’évaluation (ou la prévision) de la tenue au
lavage domestique des e-textiles.
Ces activités sur la fiabilisation, durabilité et la normalisation des systèmes textiles intelligents ont
été valorisées par 2 publications et 3 conférences.
17
UIT (Union des Industries Textiles). Livre Blanc Sur Les Textiles Intelligents; 2017. 18
European Committee for Standardization, CEN/TC 248/WG 31 - Smart textiles
162
163
Conclusion générale et perspectives
Depuis sa création il y a 25 ans, le laboratoire GEMTEX de l’ENSAIT s’est développé autour de
nombreux thèmes d’études qui structurent aujourd’hui l’entité en 3 groupes de recherche. La force
du laboratoire est son encrage national et international et ses collaborations avec des laboratoires,
PME, start-up, grands groupes, dans de nombreux projets privés ou collaboratifs.
Au niveau mondial, les premiers travaux formalisés sur les textiles intelligents datent des années
1990’ et le laboratoire GEMTEX a été naturellement un pionnier dans leurs développements grâce à
sa jeunesse et à la vision de certains enseignants chercheurs.
L’explosion de la thématique « système textile intelligent » dans les années 2000 – 2005 a été une
opportunité pour le laboratoire de travailler sur des sujets autour des polymères conducteurs
intrinsèques (PCI) et composites polymères conducteurs (CPC) et de leurs applications en tant
qu’actionneurs et capteurs. Sur ce dernier sujet, j’ai effectué ma thèse de doctorat (2004 – 2007) et
ensuite saisi l’opportunité de travailler sur de nombreux autres sujets riches et variés. Dans ce
contexte, ce mémoire d’habilitation à diriger des recherches reprend les résultats marquants de mon
thème de recherche : les Textiles Intelligents. Il décrit plus particulièrement mon approche de la
thématique qui est le résultat de la rencontre entre une formation en Sciences des Matériaux et le
Textile (structure) rehaussée aux méthodes et procédés de l’Automatique (approche système,
capteurs et actionneurs, traitements de données).
La première partie résumant mes activités de recherche, d’enseignement et administratives montre,
en premier lieu, un investissement réel dans la vie de l’établissement tant au niveau de la tutelle
qu’au niveau du laboratoire avec des implications dans les diverses instances. En second lieu, en ce
qui concerne l’enseignement, par notamment, la création de modules de cours (Domaine Textile
Intelligents) nous faisons bénéficier nos étudiants de nos activités de recherches. Ce point est à
poursuivre pour continuer à préparer nos ingénieurs aux futurs marchés. L’ouverture aux nouvelles
méthodes pédagogiques permet également de mettre en avant et d’atteindre d’autres compétences
mais aussi de toucher d’autres publics avec le développement de MOOC et de e-learning.
Les actionneurs textiles diffuseurs de lumière à base de fibres optiques que nous avons développés
au cours de deux projets collaboratifs trouvent actuellement des applications dans des dispositifs
médicaux en passe d’être commercialisés par un des partenaires. Nous poursuivons nos activités sur
les cellules électrochromes textiles dans le projet FUI LITEVA (débuté en janvier 2018) pour des
applications dans l’habitacle automobile. Le but du projet est de fiabiliser la cellule pour augmenter
sa durée de vie et travailler sur son processus de fabrication pour qu’elle puisse être incluse à la
fabrication d’une pièce d’habitacle.
164
Les capteurs pour structures textiles sont un sujet représentatif de mon approche de la thématique
par le biais des matériaux, structures, et du traitement. Sur les deux premiers points, pour des
applications aéronautiques, nous avons mis en évidence notre capacité à réaliser des mesures in-situ
de finesse élevée compte tenu du contexte. Fort de ces résultats, des travaux dans le domaine
composite, conjoints avec l’équipe MTC, ont été amorcés et seront sources de projets futurs. Nous
allons poursuivre le monitoring de l’avancé du front de résine pour, à terme, mieux simuler et
optimiser les processus de mise en œuvre des pièces. D’autre part, nous avons procédé à des
demandes de financements (DGA, fin 2018) pour des applications dans le domaine de l’évaluation à
cœur du vieillissement des composites aéronautiques (SHM) par des systèmes multicapteurs sans fil.
La conversion d’énergie et transfert de données par les textiles est une nouvelle thématique engagée
il y a cinq ans et s’appuie sur des partenariats de plus en plus forts avec d’autres laboratoires. En
effet, tant au niveau des matériaux piézoélectriques (agencement de la phase β) que des structures
des antennes récupératrices (formes et dimensions) et pour le guidage d’ondes (méta matériaux),
des besoins forts en caractérisations et simulations en amont sont nécessaires. Autour des propriétés
électromagnétiques, les projets en cours vont permettre de poursuivre ces collaborations avec
l’IEMN. Le but à moyen terme est de proposer un ensemble de solutions sécurisées de
communication on body sans fil reposant sur du guidage d’ondes (transfert de données sur un même
vêtement par exemple) et des antennes (transfert de données sans contact entre deux vêtements
par exemple). En ce qui concerne, l’effet piézoélectrique, nous avons procédé à des demandes de
financements (ANR, fin 2018) pour étudier morphologiquement d’autres mélanges de polymères
dans le but de faciliter l’usage des textiles piézoélectriques, en améliorant par exemple leur
processabilité, leur capacité à la teinture, à l’implémentation d’électrodes etc.
Le thème le plus récent mais le plus transversal concerne la fiabilisation et la normalisation des
textiles intelligents. Autour des e-textiles, depuis maintenant une dizaine d’année, les concepts se
développent, les besoins apparaissent et le marché se prépare. Les projets et prototypes quittent les
laboratoires pour alimenter les entreprises et start-up. Si le rythme est conservé, les 10 prochaines
années seront consacrées aux développements de masse mais cela implique nécessairement une
fiabilisation générale des systèmes et une amélioration de l’acceptabilité et de l’appropriation de la
part du consommateur. Ces derniers points passent notamment par l’abaissement des contraintes
d’usages qui peuvent être améliorées par l’utilisation de systèmes de communication on body.
Néanmoins, le besoin de fiabilisation des systèmes vis-à-vis du lavage persistera. Les travaux engagés
sur ce thème vont suivre deux axes. Un premier où nous allons mettre en œuvre, au sein de
systèmes intelligents, les matériaux et les procédés que nous développons et maitrisons pour
fiabiliser le tout. Dans ce contexte, nous avons, par exemple, réalisé une demande de financements
(EDA, fin 2018) pour un sujet autour du soldat (sujet confidentiel). Le deuxième axe concerne les
méthodes et les normalisations des tests au lavage des e-textiles. Actuellement, nous formalisons les
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protocoles de tests, que nous avons établis à partir de l’étude de cycles de lavage domestique, pour
évaluer la dégradation d’interconnexions brodées. Les recommandations de la communauté
scientifique et industrielle suite à la publication de ces résultats et du white paper, les échanges lors
des conférences orienteront nos futurs travaux sur cet axe récent.
166
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