Piézoélectriques cryogéniques pour actuateurs dans l'espace et matériaux piézoélectriques sans plomb pour transducteurs acoustiques

Cryogenic piezoelectrics for actuators in space and lead-free materials for acoustic transducers

• Auteur / Autrice : Mickael Thiercelin
• Direction : Hichem Dammak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 29/10/2012
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand). Journée (03 ; 1996)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de structures, propriétés et modélisation des solides (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Julien Haines
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hichem Dammak, Laurent Lebrun, Michel Mortier, Julien Ducarne, Mai Pham-Thi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryotechnique

Céramiques piézoélectriques

Sciences spatiales

Mots clés libres

Transducteur acoustique piézoélectrique

Températures cryogéniques

Céramique

Acoustic transducer piezoelectric

Cryogenic temperatures

Ceramic

Résumé

L'observation spatiale exige l’utilisation de systèmes à très haute résolution avec de grandes dimensions. La conception de ces systèmes implique la détection et associe des systèmes d'actuation pour assurer un positionnement très stable de composants optiques. Toutefois, les matériaux actuellement utilisés pour l’actionnement piézoélectrique (PZT) montrent des propriétés fortement diminuées à très basse température. Ce travail explore les performances de composés piézoélectriques PMN-xPT à des températures cryogéniques. La dépendance en température des céramiques PMN-xPT est comparée à la dépendance thermique de PZT dur (PZT-4) et doux (PZT5H) sous forme de céramiques de la température ambiante à 10 K. Les compositions en PMN-PT de structure quadratique présentent des constantes piézoélectriques stables dans la plage de température 250 - 100 K. Les plus hautes valeurs de constantes piézoélectriques sont observées pour le composé PMN-38PT dans la gamme de température 200 à 50 K. Toutes les céramiques présentent des performances décroissantes en fonction de la température. Ce comportement est attribué à un «freezing out» des contributions extrinsèques du phénomène de piézoélectricité, mais est également dû à une contribution d’effets quantiques. Le facteur de qualité mécanique (Qm) augmente très rapidement à partir de 50 K pour tous les composés. Ceci pourrait être dû à de faibles processus de relaxation à très basses températures. Les transducteurs acoustiques actuels fonctionnent avec des céramiques à base de plomb, et plus particulièrement avec des céramiques PZT. Ce matériau a de fortes propriétés électromécaniques. Cependant à cause de la toxicité du plomb, nous devons trouver des composés sans plomb afin de remplacer le PZT. Dans ce travail de recherche, un oxyde mixte synthétisé par voie classique, (K, Na, Li) (Nb, Ta, Sb) O3 sous forme de céramiques est étudié. Ce composé possède d’excellentes densités (98% dth) et de bonnes propriétés électromécaniques à température ambiante. L’étude de la texturation de ce composé montre que par la méthode de coulage en bande, nous pouvons obtenir une certaine orientation des céramiques (60%).

Space borne observation requires extremely high resolution systems with large dimensions. The design of such systems implies associating sensing and actuation systems to insure a highly stable positioning of optical components. However, the currently used PZT materials for piezoelectric actuation show strongly diminished strain at cryogenic temperatures. This work explores the performances of PMN-xPT piezoelectric materials at cryogenic temperatures. Temperature dependence of PMN-xPT ceramics is compared with hard PZT (PZT-4) and soft PZT (PZT5H) ceramics from RT to 10 K. PMN-PT tetragonal compositions exhibit stable piezoelectric constant in the 250-100 K range. The highest values of piezoelectric constant are observed for PMN-38PT in the 200-50 K range. All ceramics exhibit decreasing performances versus cooling temperature. This behaviour is attributed to a “freezing out” of extrinsic contributions to piezoelectricity [12] but is also due to a contribution of quantum effects [13, 14]. The mechanical quality factor (Qm) increases very quickly from 50 K to 10 K for all samples. This fact could be due to low relaxation processes at very low temperatures. Today acoustic transducers operate with lead-based ceramics, and more particularly lead–zirconate–titanate (PZT). This material is very powerful thanks to these high electromechanical properties. However cause of lead toxicity we have to find new materials without lead in order to replace PZT. In this paper, main guidelines to develop lead-free ceramics are given specially for acoustic transducer. A conventional mixed oxide and carbonate route to synthesis (K,Na,Li)(Nb,Ta,Sb)O3 lead-free ceramics is presented. Excellent density (98% dth) and good electromechanical properties were observed at room temperature.