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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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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)
-
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.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
perovskite | phase transition | piezoelectric ceramics | Morphotropic Phase Boundary
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Sigles, notations et symboles
BIBLIOGRAPHIE
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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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-
(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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