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RÉSUMÉ
Les céramiques ferroélectriques de structure pérovskite à base de plomb comme les zircono-titanate de plomb (PZT) sont des matériaux piézoélectriques très utilisés technologiquement. Dans ces structures pérovskites, les propriétés ferroélectriques varient continument avec le taux de substitution cationique. De plus, un grand nombre de modifications chimiques est possible afin de moduler les propriétés piézoélectriques. Les coefficients de couplage électromécaniques élevés des PZT sont largement utilisés pour les applications de transduction (capteurs et actionneurs) et pour le filtrage large bande. Cependant, leur utilisation aux températures élevées requiert d'éviter les transitions de phases qui sont à l'origine de l'instabilité des propriétés avec la température.
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Philippe PAPET : Professeur à Polytech Montpellier - Université Montpellier 2
INTRODUCTION
Les matériaux ferroélectriques forment une classe importante de matériaux piézoélectriques. En effet, ils possèdent une polarisation électrique spontanée des domaines qui engendre des déformations mécaniques. Le couplage entre la modulation de la polarisation et les déformations du réseau dû à la piézoélectricité dans les matériaux ferroélectriques se caractérise par des variations notables de la polarisation (ou des déformations) quand on leur applique une contrainte mécanique (ou un champ électrique) et les ferroélectriques possèdent les plus forts coefficients piézoélectriques.
Actuellement, les matériaux piézoélectriques les plus importants technologiquement sont les céramiques ferroélectriques de structure pérovskite à base de plomb comme les zircono-titanate de plomb (PZT), avec un domaine de solution solide qui s'étend du titanate de plomb jusqu'au zirconate de plomb. Dans ces structures pérovskites, les propriétés ferroélectriques varient continûment avec le taux de substitution cationique et un grand nombre de modifications chimiques sont possibles afin de moduler les propriétés piézoélectriques. De plus, il y a un comportement spécifique, présent dans toute une série de pérovskite à base de plomb, caractérisé par les transitions de phases ferroélectriques et qui se manifeste par la présence, dans un domaine étroit de composition, d'une frontière de phases morphotropiques appelée MPB, et pour laquelle les propriétés piézoélectriques sont maximales. Ces caractéristiques mettent bien en évidence le fait que ces pérovskites combinent les propriétés désirées pour un grand domaine d'applications.
Les coefficients de couplage électromécaniques élevés des piézoélectriques ferroélectriques sont largement utilisés pour les applications de transduction (capteurs et actionneurs) et pour le filtrage large bande. Les matériaux piézoélectriques qui peuvent opérer à hautes températures sont recherchés pour des capteurs ou des actionneurs spécifiques et sont actuellement en cours de développement. Cependant, leur utilisation aux températures élevées requiert d'éviter les transitions de phases qui sont à l'origine de l'instabilité des propriétés avec la température. Ainsi, dans le cas des matériaux ferroélectriques, le challenge est d'obtenir une température de Curie nettement supérieure à celle de l'application.
Cet article est divisé en quatre parties. Après un rappel des définitions de la piézoélectricité et l'établissement des lois constitutives pour décrire les propriétés des matériaux piézoélectrique, nous nous focalisons, dans la seconde partie, sur les matériaux ferroélectriques, en particulier ceux avec une structure pérovskite. Les relaxeurs et les polymères sont aussi abordés dans cette partie. Dans la troisième partie, les céramiques ferroélectriques de type PZT sont détaillées et les effets de la modulation des propriétés par la composition chimique et la microstructure sont décrits. Dans la quatrième partie, des exemples d'applications sont donnés et le cas des matériaux piézoélectriques pour les hautes températures est discuté.
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MOTS-CLÉS
piézoélectrécité céramiques ferroélectriques de structure pérovskite PZT environnement énergie électronique automobile télécommunications couplage électromécanique matériaux céramiques
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1986 par Denise SANDINO
- Version courante de juin 2022 par Philippe PAPET
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Conclusion4. Exemples d'applications des matériaux piézoélectriques
Les matériaux présentant des propriétés piézoélectriques sont utilisés dans un grand nombre d'applications. Pour mieux guider le choix de l'utilisateur sur les principales caractéristiques à considérer pour la performance du matériau dans un type d'application (capteurs, actionneurs, etc.), des figures de mérites FOM ont été définis comme le montre le tableau 14.
Dans le cas d'une transformation d'énergie de haute puissance (exemple du cas de la focalisation d'ondes US de haute intensité), la FOM est le produit du coefficient piézoélectrique et du facteur de qualité mécanique, alors que pour une application en tant qu'actionneur, le coefficient piézoélectrique de déformation est le facteur le plus important.
Dans toutes ces applications, on exploite soit l'effet direct (générateurs de charges électriques, accéléromètres, microphone, hydrophone, capteur de contraintes, etc.), soit l'effet inverse (sonar, micropositionnement, optique adaptative, buzzer, dispositifs acousto-optiques, moteurs ultrasonores, etc.) soit les deux (sonde d'échographie US, contrôle non destructif par ultrasons, détecteur de présence, mesure de distances, gyroscope, débitmètre, etc.).
Le fait qu'un matériau diélectrique vibrant à sa fréquence de résonance absorbe une quantité d'énergie très supérieure à celle correspondant aux autres fréquences constitue le principe de base du filtre d'ondes piézoélectrique (contrôle de fréquence). Ce dernier a pour fonction de laisser passer une certaine bande de fréquence ou de stopper une bande de fréquence donnée. La bande passante d'un filtre pour un composant piézoélectrique est proportionnelle à k 2, où k est le coefficient de couplage approprié (suivant le mode de fonctionnement). La très faible valeur de k pour le quartz ne permet d'avoir une bande passante que de l'ordre de 1 % de la fréquence de résonance. Les matériaux avec des valeurs de k plus élevées comme les PZT peuvent avoir une bande passante plus large, jusqu'à 10 % de la fréquence de résonance. Cependant certains monocristaux, comme le quartz, possèdent un facteur de qualité mécanique Q m ~ 106...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CURIE (P.), CURIE (J.) - Comptes rendus des séances de l'académie des sciences. - Tome 91, Paris (1880).
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(2) - BERTIN (M.), FAROUX (J.P.), RENAULT (J.) - Électromagnétisme. - Éd. : Dunod Université (1984).
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(3) - NYE (J.F.) - Physical Properties of Crystals. - Ed. : Oxford University Press (1985).
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(4) - DAMJANOVIC (D.) - * - Rep. Prog. Phys., 61, p. 1267 (1998).
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(5) - ROYER (D.), DIEULESAINT (E.) - Ondes élastiques dans les solides. - Tome 1, Éd. : Masson (1999).
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(6) - BRISSAUD (M.) - Matériaux piézoélectriques. - Éd. : Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (2007).
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Céramiques pour composants électroniques.
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