Modélisation et caractérisation de nouveaux matériaux piézoélectriques (sans plomb et composites de connectivité 1-3) pour la transduction ultrasonore

Modelling and characterization of a new piezoelectric materials (lead-free and 1-3 piezocomposite) for ultrasonic transducer

• Auteur / Autrice : Rémi Rouffaud
• Direction : Franck Levassort, Anne-Christine Hladky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur, spécialité Acoustique
• Date : Soutenance le 18/12/2014
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire GREMAN (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Dragan Damjanovic
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel Le Clezio, Claude Richard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Composites

Imagerie médicale -- Appareils et matériel

Transducteurs ultrasonores

Monocristaux

Plomb -- Toxicologie

Titanozirconate de plomb

Céramiques piézoélectriques

Mots clés libres

Piézoélectricité

Caractérisation

Transducteur

Ultrason

Imagerie

Résumé

Depuis plusieurs décennies, les matériaux piézoélectriques à base de plomb dominent le marché de la transduction électromécanique du fait de leurs très hautes performances. Or, au début du XXIème siècle, de nouvelles restrictions européennes apparaissent, poussant à faire disparaître définitivement l’usage de ce matériau dangereux pour l’environnement et la santé. À partir de là, une course est lancée dans la communauté scientifique qui doit trouver de nouveaux matériaux sans plomb aux performances équivalentes. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce challenge. Le matériau piézoélectrique sans plomb KNbO3 a été identifié comme une réelle alternative. Ses caractéristiques sont déterminées en prenant en compte la cohérence de l’ensemble qui est une nouvelle problématique soulevée par les utilisateurs de ces données de matériau. En effet, le résultat des simulations numériques faites par la méthode des éléments finis, entre autres, est sensible à cette absence de cohérence. Partant de ce travail, il est alors possible de simuler correctement, et grâce aux éléments finis, le comportement électromécanique d’une nouvelle structure pseudo-périodique de composite piézoélectrique de connectivité 1-3 conçue pour s’affranchir de limites de fonctionnement actuelles. Les résultats théoriques sont également validés expérimentalement. Enfin, un algorithme de caractérisation multimodale et multiphasique, basé sur l’algorithme génétique, a été réalisé pour obtenir les propriétés de ces matériaux piézoélectriques après leur usinage nécessaire à leur intégration dans un transducteur ultrasonore. Cela permet d’adapter les pièces périphériques à ces nouvelles caractéristiques pour une optimisation ultime des performances des transducteurs finaux fabriqués au cours de cette thèse.

Piezoelectric ceramics have been on the market for several decades and their use keeps growing. Nowadays, these materials are included in a wide range of devices, in particular for ultrasonic applications. Since the discovery of lead zirconium titanate (PZT) sixty years ago, a wide range of derived compositions coupled to efficient manufacturing processes have been developed to enable their use in many devices. Thus, PZT ceramics are the most used piezoelectric materials, although the presence of lead in their composition is a growing health and environmental concern. Consequently, since 2003, E.U. has voted guidelines for the management of Waste Electrical and Electronic Equipment at the end of its lifecycle (WEEE) and Restrictions (Hazardous Substances, R0HS). In addition, in December 2012, the European CHemicals Agency (ECHA) added PZT in candidate list of the REACH directive. Similar steps are also followed by many countries in Asia and North America. In this international context, research on lead-free piezoelectric materials and their applications becomes a major issue. This thesis focuses specifically on ultrasonic transducer applications (medical imaging and underwater acoustics) with, at f irst, functional characterization of lead-free piezoelectric materials. To this end, the KNbO3 Iead-free single crystal is selected in its specific cutting (YXt)-45° which provides a coupling coefficient k (in thickness mode) of 60%. A characterization of this material is carried out to provide a complete and consistent set of electromechanical properties, and thus avoid calculation errors during the simulation stage of the transducer. Its performance is demonstrated through its integration in a 30 MHz ultrasound probe to obtain images of human skin in vivo.