Bibliographie & annexes
Présentation
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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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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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2. Matériaux piézoélectriques sans plomb, alternatives aux PZT
La recherche sur les matériaux piézoélectriques sans plomb est motivée par la nécessité de trouver des matériaux moins nocifs que les PZT, mais aussi de trouver des matériaux piézoélectriques pouvant être utilisés dans des domaines où les PZT ne peuvent pas l’être, tels que les applications à très haute température (> 350 °C).
En 2004, un grand coefficient piézoélectrique d 33 = 416 pC · N–1, comparable à celui du PZT a été obtenu par Saito et al. , dans des céramiques texturées de niobate de potassium et de sodium. Depuis, des recherches intenses sur les céramiques piézoélectriques sans plomb ont été menées . Mais, tandis que la modification chimique du PZT, principalement par l’utilisation des dopants donneurs ou accepteurs, permet l’obtention d’une large gamme de propriétés piézoélectriques (d 33 = 215 à 590 pC · N–1), on ne connaît pas de famille de matériaux sans plomb présentant la même diversité de propriétés et pouvant, à elle seule, remplacer tous les PZT.
Plusieurs systèmes ont été considérés pour remplacer les PZT. La figure 4 présente les valeurs de d 33, en fonction de la température de Curie, de certaines compositions des différents systèmes sans plomb.
La première d’entre elles est constituée de tous les dérivés du titanate de baryum BaTiO3,...
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Matériaux piézoélectriques sans plomb, alternatives aux PZT
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).
-
(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).
-
(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.) - Comprehensive...
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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