Modélisation, caractérisation et fatigue fonctionnelle des céramiques ferroélectriques

Modelling, characterisation and functional fatigue of ferroelectric ceramics

• Auteur / Autrice : Chaimae Babori
• Direction : Laurent Daniel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance en 2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Doru Lupascu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lecoeur, Astrid Pechstein, Mickaël Lallart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Astrid Pechstein, Mickaël Lallart

Mots clés

Mots clés libres

Fatigue fonctionnelle

Dégradation

Lois de comportement

Matériau ferroélectrique

Chargement cyclique

Modélisation

Functional fatigue

Degradation

Behaviour laws

Ferroelectric material

Cyclic loading

Modelling

Résumé

Les céramiques ferroélectriques jouent un rôle essentiel dans de nombreuses technologies avancées grâce à leurs propriétés électromécaniques uniques, en particulier dans les capteurs, actionneurs et dispositifs optiques. Cependant, ces matériaux subissent une dégradation progressive de leurs performances sous des chargements cycliques, ce qui nécessite une étude de la fatigue fonctionnelle pour garantir leur fiabilité à long terme. Cette thèse s'intéresse spécifiquement aux effets des chargements mécaniques et électriques cycliques sur les propriétés macroscopiques des céramiques ferroélectriques. L'objectif principal est de fournir des résultats pour concevoir des systèmes capables de limiter ces dégradations, en intégrant ces phénomènes dans des modèles prédictifs. La partie expérimentale a consisté en une série d'essais en quasi-statique et en chargement cyclique réalisés sur des céramiques ferroélectriques. Ces essais ont permis de caractériser l'évolution de la polarisation, de la déformation, et d'autres propriétés macroscopiques sous différentes conditions de chargement. Les résultats expérimentaux ont ensuite servi à valider un modèle énergétique. Ce modèle, développé dans le cadre de cette thèse, décrit le comportement non linéaire et hystérétique des céramiques ferroélectriques sous chargement électromécanique. Bien que le modèle ne prenne pas encore en compte les effets de fatigue, il reproduit avec précision les tendances observées expérimentalement, comme l'évolution des boucles de polarisation-champ électrique et des courbes de déformation en fonction du champ électrique. En étudiant les effets des conditions de chargement sur la fatigue fonctionnelle, ce travail ouvre la voie à l'optimisation des conditions opérationnelles pour minimiser les dégradations. Ces résultats apportent des outils pour la conception et l'optimisation des dispositifs ferroélectriques. Enfin, cette thèse pose les bases pour des travaux futurs visant à intégrer les phénomènes liés à la fatigue dans le cadre de modélisation et à explorer des compositions de matériaux avancées, afin d'améliorer encore les performances et la durabilité de ces matériaux.

Ferroelectric ceramics play an essential role in many advanced technologies thanks to their unique electromechanical properties, particularly in sensors, actuators and optical devices. However, these materials are subject to progressive performance degradation under cyclic loading, necessitating functional fatigue studies to ensure their long-term reliability. This thesis focuses specifically on the effects of cyclic mechanical and electrical loading on the macroscopic properties of ferroelectric ceramics. The main objective is to provide tools for designing systems capable of limiting these degradations by integrating these phenomena into predictive models. The experimental part consisted of a series of quasi-static and cyclic loading tests carried out on ferroelectric ceramics. These tests were used to characterise changes in polarisation, deformation and other macroscopic properties under different loading conditions. The experimental results were then used to validate an energy-based model. This model, developed as part of this thesis, describes the non-linear and hysteretic behaviour of ferroelectric ceramics under electromechanical loading. Although the model does not include the effects of fatigue, it accurately reproduces the trends observed experimentally, such as the evolution of polarisation-electric field loops and strain-electric field curves. By studying the effects of loading conditions on functional fatigue, this work paves the way for optimising operational conditions to minimise degradation. These results provide tools for the design and optimisation of ferroelectric devices. Finally, this thesis constructs a foundation for future work aiming at integrating fatigue-related phenomena into the modelling and exploring advanced material compositions, to further improve the performance and durability of these materials.