Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les ferroélectriques à base de plomb, représentés par le zircono-titanate de plomb Pb(Zr, Ti)O3 (PZT) sont les matériaux les plus utilisés pour les actionneurs, capteurs et transducteurs acoustiques pour leurs excellentes propriétés piézoélectriques. Cependant, sur la base de la législation sur la restriction des substances toxiques, il est nécessaire de retirer le plomb des céramiques piézoélectriques. Cet article décrit les trois groupes de céramiques piézoélectriques sans plomb actuellement en discussion pour remplacer le PZT : BaTiO3 (BT), KxNa1-xNbO3 (KNN), BixNa1-xTiO3 (BNT), BiFeO3 (BFO). Ici, sont présentés, la synthèse, les propriétés structurales et fonctionnelles, et les applications de ces matériaux.
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Lead based ferroelectrics, represented by lead zircono-titanate Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) are the most widely used materials for acoustic actuators, sensors and transducers due to their excellent piezoelectric properties. However, based on hazardous substances restriction legislation, it is necessary to remove lead from piezoelectric ceramics. This article describes the three most promising groups of lead-free piezoelectric ceramics currently under discussion to replace PZT: BT, KNN and BNT-based ceramics. Here, are presented, the synthesis, the structural & functional properties and the applications of these materials.
Auteur(s)
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Ana BORTA-BOYON : Dr., Ingénieur R&D Matériaux Laboratoire chimie et matériaux multifonctionnels, THALES Research & Technology France, 91120 Palaiseau, France
INTRODUCTION
Les céramiques piézoélectriques de type zircono-titanate de plomb, de formule générale PbZr1-xTixO3 (PZT), découvertes dans les années 1950, ont été étudiées de manière intensive et sont massivement utilisées dans de nombreuses applications industrielles (transducteurs, capteurs, moteurs à ultrasons) en raison de leurs propriétés électromécaniques performantes. Cependant, le développement du matériel électrique et électronique a été marqué par la prise en compte croissante des impacts sanitaires et environnementaux des matériaux utilisés. Des législations ont été progressivement mises en place, au Japon d’abord, puis en Europe, en Chine et aux États-Unis, dans le but de limiter l’usage des substances toxiques. Parmi les éléments visés figure notamment le plomb dont la toxicité n’est plus à démontrer. Cette situation a conduit plusieurs laboratoires à travers le monde à réaliser des études poussées à la recherche des nouvelles compositions sans plomb à structure pérovskite ayant des propriétés diélectriques et piézoélectriques comparables à celles de PZT. Suite aux études, trois grandes familles de matériaux piézoélectriques sans plomb ont été élaborées : BaTiO3, KxNa1-xNbO3 et BixNa1-xTiO3/BiFeO3.
Cet article est divisé en deux grandes parties. Après un rappel des propriétés spécifiques des matériaux piézoélectriques et tout particulièrement des PZT, nous nous focalisons sur le contexte environnemental et l’intérêt de l’obtention des matériaux piézoélectriques sans plomb. Dans la deuxième partie, nous listons les trois grandes familles de matériaux piézoélectriques, leurs voies de synthèse, l’optimisation de leurs propriétés par la modification chimique de la composition, et leurs applications potentielles.
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KEYWORDS
perovskite | phase transition | piezoelectric ceramics | Morphotropic Phase Boundary
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3. Conclusion et perspectives
L’introduction des restrictions sur l’utilisation du plomb a permis la synthèse et le développement d’un grand nombre de matériaux piézoélectriques sans plomb avec des compositions plus ou moins complexes et avec des propriétés piézoélectriques proches, voire, supérieures à certains PZT.
Contrairement aux matériaux avec du plomb de la famille PZT, les matériaux sans plomb sont divisés en différentes familles, BaTiO3, KNN, BNT et BFO, qui possèdent leurs caractéristiques spécifiques en termes de propriétés piézoélectriques. Grâce à l’amélioration rapide de leurs performances, l’efficacité des matériaux piézoélectriques sans plomb a pu être démontrée dans différents dispositifs et prototypes dans le domaine des capteurs, actuateurs et dispositifs ultrasonores. Même si leur performance globale est encore inférieure à celle des dispositifs à base de PZT, ces prototypes permettent de révéler les voies stratégiques nécessaires à améliorer pour de futures applications, afin de pouvoir remplacer dans le futur les matériaux à base de plomb.
Pour les applications à plus grande échelle, de meilleures performances globales et une bonne stabilité en fonction de la température, du champ, du temps de sollicitation en fonctionnement, du comportement mécanique, doivent encore être atteintes. En termes de stabilité en température, les céramiques à base de BFO et de KNN sont les piézoélectriques sans plomb les plus prometteuses pour les applications. Pour des piézoélectriques « durs » sans plomb, il est difficile de réaliser simultanément des Q m et des d 33 élevés. Les mécanismes physiques correspondants doivent être révélés pour guider le développement de ce type de matériaux.
Au-delà des paramètres électriques, les procédés de fabrication des matériaux piézoélectriques sans plomb nécessitent un grand effort au niveau de la reproductibilité des compositions et au niveau de la conception des dispositifs.
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Conclusion et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MALAKOOTI (M.H.), SODANO (H.A.) - Noncontact and simultaneous measurement of the d33 and d31 piezoelectric strain coefficients. - Applied Physics Letters, 102(6), p. 061901 (2013).
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(2) - JOSHI (S.), NAYAK (M.M.), RAJANNA (K.) - Effect of post-deposition annealing on transverse piezoelectric coefficient and vibration sensing performance of ZnO thin films. - Applied surface science, 296, p. 169-176 (2014).
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(3) - LI (W.), XU (Z.), CHU (R.), FU (P.), ZANG (G.) - Large piezoelectric coefficient in (Ba1-x Cax)(Ti0,96Sn0,04) O3 lead-free ceramics. - Journal of the American Ceramic Society, 94(12), p. 4131-4133 (2011).
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(4) - OGAWA (T.), NUMAMOTO (Y.) - Origin of giant electromechanical coupling factor of k31 mode and piezoelectric d31 constant in Pb [(Zn1/3Nb2/3)0,91Ti0,09]O3 single crystal. - Japanese Journal of Applied Physics, 41(11S), p. 7108 (2002).
-
(5) - YAO (F.-Z.), WANG (K.), LI (J.-F.) - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Propriétés piézoélectriques des matériaux et composants en céramique – Partie 1 : termes et définitions - NF EN 50324-1 - 12-02
-
Propriétés piézoélectriques des matériaux et composants en céramique – Partie 2 : méthodes de mesure – Faible puissance - NF EN 50324-2 - 12-02
-
Propriétés piézoélectriques des matériaux et composants céramiques – Partie 3 : méthodes de mesure – Grande puissance - NF EN 50324-3 - 12-02
ANNEXES
Institut de recherche sur les céramiques, Limoges https://www.ircer.fr/
Laboratoire GREMAN, Tours https://greman.univ-tours.fr/
Laboratoire CERAMATHS, Valenciennes https://www.uphf.fr/ceramaths
Institut Charles Gerhardt Montpellier https://www.umontpellier.fr/recherche/unites-de-recherche/institut-de-chimie-moleculaire-et-des-materiaux-institut-charles-gerhardt-montpellier-icgm
Centre de Transfert de Technologies Céramiques, Limoges https://www.cttc.fr/
CEA Leti, Grenoble https://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/Accueil.aspx
Marion Technologie, Verniolle https://www.mariontechnologies.com/fr/accueil/
Vermon SA, Tours https://www.vermon.com
Thales Research & Technologie France, Palaiseau https://www.thalesgroup.com/fr/global/innovation/recherche-technologie
...
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