Logo ETI Quitter la lecture facile
Le-fonctionnement-des-ceramiques-piezoelectriques-explique

Décryptage

Le fonctionnement des céramiques piézoélectriques enfin expliqué

Posté le par La rédaction dans Matériaux, Biotech & chimie

Bien qu’elles se retrouvent dans un grand nombre d’applications industrielles ou de la vie quotidienne, l’origine atomique des propriétés piézoélectriques des céramiques piézoélectriques de la famille PbZrxTi1-xO3 restaient inexpliquées. Le mystère est aujourd'hui levé et le rôle des ions zirconium enfin expliqués.

La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et, réciproquement, de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Cette propriété trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie et la vie quotidienne. L’allume-gaz est parmi les plus familières. Dans un allume-gaz, la pression exercée produit une tension électrique qui se décharge brutalement pour former une étincelle. Les matériaux piézoélectriques permettent également de convertir une onde acoustique en signal électrique et inversement. Ils constituent le cœur des microphones utilisés pour détecter des ondes acoustiques dans toutes les gammes de fréquences. Dans la seconde partie du XXème siècle, les recherches se sont orientées vers des céramiques titanate de baryum (BaTiO3) puis, un peu plus tard, de titano-zirconates de plomb PbZrxTi1-xO3. En effet, leurs propriétés sont globalement bien meilleures que celles des cristaux naturels ; ils présentent des coefficients piézoélectriques environ 100 fois supérieurs. La solution solide de zircono-titanate de plomb, notamment la composition PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT), est une céramique qui convertit jusqu’à 70 % de l’énergie mécanique qu’elle reçoit lorsqu’elle est déformée en énergie électrique (et réciproquement). Cette propriété exceptionnelle est exploitée depuis plus de 50 ans dans de nombreuses application technologiques : sonars, sondes échographiques, injecteurs des moteurs diesels, capteurs divers…. Malgré les nombreuses études expérimentales et théoriques menées sur cette céramique, aucun modèle à l’échelle atomique n’a jamais été proposé afin d’expliquer pourquoi sa réponse piézoélectrique de PbZr0.52Ti0.48O3 est environ 15 fois plus forte que celle du composé sans Zirconium : PbTiO3. Une équipe de chercheurs de l’Institut Charles Gerhardt (CNRS / Université Montpellier II) ont utilisé la spectroscopie d’absorption des rayons X afin de :
  • clarifier le rôle du zirconium, à l’échelle atomique, dans les propriétés piézoélectriques de ce matériau ;
  • mesurer ses déplacements polaires associés à une transition électrique (ferroélectrique-paraélectrique).
Ils ont ainsi montré que, contrairement aux liaisons Ti-O fortement polaires, les atomes de Zirconium vont produire une faible polarisation. Une telle configuration atomique pour un type d’atome implique un basculement de polarisation très facile, c’est-à-dire qu’un faible champ électrique est nécessaire pour ce basculement, ce qui va créer une situation énergétique favorable pour le basculement coopératif des dipôles Ti-O fortement polaires et expliquer ainsi les fortes propriétés piézoélectriques de PZT. Dans PZT, les petits déplacements (Zr) entraînent les gros (Ti) sous champ électrique !

Posté le par La rédaction


Réagissez à cet article

Commentaire sans connexion

Pour déposer un commentaire en mode invité (sans créer de compte ou sans vous connecter), c’est ici.

Captcha

Connectez-vous

Vous avez déjà un compte ? Connectez-vous et retrouvez plus tard tous vos commentaires dans votre espace personnel.

INSCRIVEZ-VOUS
AUX NEWSLETTERS GRATUITES !