Bibliographie & annexes
Présentation
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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The lead zirconate titanate (PZT) system is technologically one of most important ferroelectric ceramics. In these perovskites structures, ferroelectric properties vary continuously with the level of cationic substitution and a large number of chemical modifications are possible in order to modulate the piezoelectric properties. The high electromechanical coupling coefficients of PZTs are widely applied to transduction applications (sensors and actuators) as well as broadband filtering. However, their use at high temperatures presents many challenges, such as phase transitions, which in general lead to the instability of the properties.
Auteur(s)
-
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
KEYWORDS
piezoelectrecity | ferroelectric ceramics with perovskite structure | environment | energy | electronics | automotive | wireless communications | electromechanical coupling | ceramic materials
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1986 par Denise SANDINO
- Version courante de juin 2022 par Philippe PAPET
DOI (Digital Object Identifier)
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Céramiques piézoélectriques2. Matériaux ferroélectriques
Si l'on revient sur le phénomène d'électrostriction, qui existe dans tous les matériaux, cet effet de couplage quadratique en E s'écrit :
ou :
Mijkl et Qijkl sont les tenseurs d'électrostriction. La seconde relation est souvent utilisée dans les matériaux ferroélectriques à structure pérovskite. Pour simplifier l'écriture, nous allons utiliser la notation (sans les indices) :
Si nous appliquons un champ électrique continu Ec au matériau, il va se déformer. Superposons maintenant un champ alternatif Ea colinéaire à Ec , et tel que
. On observe une variation de la déformation initiale suivant la relation :
soit :
ce dernier terme est analogue à l'effet piezoélectrique inverse. Ainsi, si l'on soumet un matériau à l'action d'un champ électrique continu, il présentera, même s'il possède un centre de symétrie, un effet piézoélectrique inverse (généralement...
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Matériaux ferroélectriques
BIBLIOGRAPHIE
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(6) - BRISSAUD (M.) - Matériaux piézoélectriques. - Éd. : Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (2007).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Céramiques pour composants électroniques.
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