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3 - CÉRAMIQUES PIÉZOÉLECTRIQUES

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5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : K740 v3

Glossaire
Céramiques piézoélectriques à base de métaux de transition

Auteur(s) : Philippe PAPET

Date de publication : 10 juin 2022

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RÉSUMÉ

Les céramiques ferroélectriques sont des matériaux très utilisés pour leurs propriétés piézoélectriques.

Cet article propose, d’une part, de décrire les propriétés piézoélectriques dans les matériaux ferroélectriques, et d’autre part, de détailler les céramiques PZT, dont les propriétés piézoélectriques peuvent être modulées par dopage. Les PZT ont cependant deux limitations : la présence du plomb (réglementations CEE restrictives) et leur comportement à haute température (instabilité des propriétés/transitions de phases).

Les céramiques sans plomb les plus prometteuses (propriétés au moins équivalentes aux PZT) et les matériaux plus stables à hautes températures, sont aussi abordés.

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ABSTRACT

Piezoelectric ceramics based on transition metals

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, France

INTRODUCTION

Les matériaux céramiques 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.

Depuis les années 1960-70, 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 FPM, 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.

En 2002, la réglementation européenne EU-Directive 2002/95/EC recommande le remplacement des composés à base de plomb par des matériaux sans plomb. Ceci a initié de nombreuses recherches pour mettre au point des céramiques sans plomb avec des propriétés au moins équivalentes à celles des PZT. Des composés oxydes plus ou moins complexes (composés inorganiques oxydes possédant plusieurs sous-réseaux cationiques) avec, à l’état de monocristal, de très bonnes propriétés piézoélectriques, servent à l’élaboration de céramiques sans plomb texturées. Les résultats sont très encourageants, mais il est nécessaire de poursuivre l’étude de ces matériaux avant d’envisager une industrialisation à grande échelle et un remplacement effectif des PZT.

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, et dans le cas des matériaux ferroélectriques, de posséder 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. 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. Les céramiques sans plomb, destinées à remplacer les PZT, sont également abordées. 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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KEYWORDS

ferroelectric ceramics with perovskite structure   |   properties of ceramics   |   ferroelectric materials   |   piezoceramics   |   PZT

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-k740


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6. Glossaire

Piézoélectricité ; piezoelectricity

Propriété d’un matériau cristallin à se polariser électriquement sous l’effet d’une contrainte mécanique (effet direct) ou à se déformer élastiquement sous l’effet d’un champ électrique appliqué (effet inverse).

Domaine polaire ; polar domain

C’est une zone du matériau dans laquelle tous les moments dipolaires électriques sont parallèles. La ligne de séparation de deux domaines adjacents d’orientations différentes permet de qualifier les domaines suivant l’angle que forme la direction des moments dipolaires dans les deux zones adjacentes (domaines à 180°, domaines à 90°, etc.).

Ferroélectricité ; ferroelectricity

Propriété d’un matériau cristallin qui possède des domaines polaires qui peuvent être réorientés par l’application d’un champ électrique.

Perovskite ; perovskite

Structure cristalline de composés oxydes dérivant de la Perovskite CaTiO3. On distingue les perovskites simples de formule ABO3 des pérovskites complexes (A1,A2..)(B1,B2…)O3

Relaxeurs ; relaxors

Matériaux cristallins qui se différencient des ferroélectriques par une transition progressive de la phase ferroélectrique vers la phase paraélectrique lorsque la température dépasse la température du maximum de la constante diélectrique (qui est la température de Curie pour un ferroélectrique).

Polarisation ; polarization

Opération qui consiste à créer un axe polaire macroscopique dans le matériau ferroélectrique par application d’un champ électrique continu de forte intensité (~3 kV/mm) en faisant basculer tout ou partie des domaines polaires parallèlement au champ électrique.

FPM (frontière de phases morphotropiques) : MPB (morphotropic phase boundary)

C’est une limite de composition pour laquelle on a coexistence de plusieurs phases. Dans le cas du diagramme de phase PbZrO3-PbTiO3, cette limite séparant les phases rhomboédrique et quadratique ne varie quasiment pas avec la température.

TPP (transition de phase polymorphe) : PPT (polymorphic phase transition)

C’est une limite définie par le domaine de stabilité en température...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CURIE (P.), CURIE (J.) -   Comptes rendus des séances de l’académie des sciences.  -  Tome 91, Paris (1880).

  • (2) - BERTIN (M.), FAROUX (J.P.), RENAULT (J.) -   Électromagnétisme.  -  Éd. : Dunod Université (1984).

  • (3) - NYE (J.F.) -   Physical Properties of Crystals.  -  Ed.: Oxford UniversityPress (1985).

  • (4) - DAMJANOVIC (D.) -   *  -  Rep. Prog. Phys., 61, p. 1267 (1998).

  • (5) - ROYER (D.), DIEULESAINT (E.) -   Ondes élastiques dans les solides.  -  Tome 1, Éd. : Masson (1999).

  • (6) - BRISSAUD (M.) -   Matériaux piézoélectriques.  -  Éd. : Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (2007).

  • ...

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