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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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Exemples d'applications des matériaux piézoélectriques3. Céramiques piézoélectriques
3.1 Synthèse des céramiques de la famille des PZT (Pb(Zr1–xTix)O3)
3.1.1 Diagramme de phase – zone de transition morphotropique
Le zircono-titanate de plomb Pb(Zr1–xTix)O3 (PZT) est une solution solide de zirconate de plomb PbZrO3 et de titanate de plomb PbTiO3 . C'est une pérovskite complexe où le sous-réseau B est occupé aléatoirement par les cations Ti4+ et Zr4+. À température ambiante, PbZrO3 est une phase antiferroélectrique de structure orthorhombique alors que PbTiO3 est ferroélectrique avec une structure quadratique. Le diagramme de phases de PZT est représenté à la figure 18 . Dans l'état paraélectrique, à haute température, PZT a une structure cubique. Lorsque la température diminue, à T c , les compositions riches en PbTiO3 (%PbTiO3 > 48) adoptent une structure quadratique (groupe d'espace P4mm) avec une polarisation le long de la direction [001], tandis que les compositions riches en PbZrO3 (52 < %PbZrO3 < 90) ont une structure rhomboédrique (R3c) avec une polarisation le long de la direction [111]. Ces deux phases ferroélectriques sont séparées par une frontière appelée frontière de phase morphotropique (FPM). Il est plus usuel de parler de zone de transition de phase morphotropique, qui est une limite de composition pour laquelle on peut avoir coexistence des deux phases (à cette frontière, les énergies libres de Gibbs de la phase rhomboédrique et de la phase quadratique sont égales).
Cette hypothèse a très longtemps justifié les exceptionnelles propriétés piézoélectriques et diélectriques des PZT de compositions proches de cette frontière, comme le montre la figure 19 ...
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Céramiques piézoélectriques
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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(6) - BRISSAUD (M.) - Matériaux piézoélectriques. - Éd. : Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (2007).
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Céramiques pour composants électroniques.
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