Céramiques piézoélectriques à base de métaux de transition

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.