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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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Matériaux piézoélectriques sans plomb, alternatives aux PZT
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1. Rappels sur les matériaux piézoélectriques
1.1 Ferroélectricité et piézoélectricité
Les matériaux piézoélectriques sont largement utilisés dans des dispositifs électroniques tels que les actionneurs, les capteurs, ou les transducteurs en raison de leurs excellentes propriétés de conversion électromécanique.
Le préfixe « piézo » provient du mot grec signifiant « pression ». Lorsqu’un matériau piézoélectrique est soumis à des contraintes mécaniques externes, des charges sont générées à sa surface. Une fois polarisé, ce matériau crée une tension. La polarité de la charge surfacique générée dépend de la direction de la contrainte appliquée, c’est-à-dire de la compression ou de la traction. La conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique est connue sous le nom d’effet piézoélectrique direct. La découverte de ce dernier est attribuée à Pierre et Jacques Curie, en 1880. Cette propriété est utilisée pour la fabrication des capteurs piézoélectriques.
Si, par contre, un champ électrique alternatif externe est appliqué au matériau piézoélectrique, le matériau vibre et se déforme, ses dimensions sont alors modifiées. Selon la direction du champ, le matériau se contracte ou bien se dilate. Cette propriété est connue sous le nom d’effet piézoélectrique inverse, et est utilisée pour fabriquer des actionneurs.
La première application industrielle de l’effet piézoélectrique a vu le jour en France en 1917, avec le détecteur ultrasonore sous-marin mis au point par Paul Langevin.
La piézoélectricité est une propriété de matériaux qui possèdent une structure non-centro symétrique. Cela signifie qu’il y a dissociation du barycentre des charges positives et négatives lors de la déformation, ce qui fait apparaître une polarisation électrique.
Ces matériaux forment les 20 classes cristallines piézoélectriques. Parmi ces 20 classes cristallines, 10 possèdent des symétries polaires (1, 2, m, 2 mm, 4, 4 mm, 3, 3 m, 6 et 6 mm). Ils ont la propriété de posséder une polarisation électrique en l’absence de champ électrique externe appliqué (figure 1). Ce type de matériau est dit...
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Rappels sur les matériaux piézoélectriques
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.) - 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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