Elaboration et optimisation par simulation de matériaux piézoélectriques sans plomb pour des applications capteurs et transducteurs ultrasonores

Elaboration and optimization by simulation of lead-free piezoelectric materials for ultrasonic sensors and transducers

• Auteur / Autrice : Hicham Kacimi-naciri
• Direction : Mohamed Rguiti, Ahmed Bachar
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 31/08/2023
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France en cotutelle avec Université Ibn Zohr
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Polytechnique Hauts-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire CERAMATHS - Département Matériaux et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Piézoélectriques

Simulation

Capteurs ultrasonores

Sans plomb

Ultrasonic sensors

Piezoelectric mterials

Lead-free

Simulation

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'optimiser expérimentalement et par simulation les propriétés piézoélectriques de céramiques sans plomb de type BCTZ (Ba0,85Ca0,15)(Ti0,9Zr0,1)O3 mais aussi d'étudier et d'optimiser les propriétés de la famille KNN (K0,5Na0,5Nb)O3 afin de proposer, aux utilisateurs, des matériaux alternatifs aux compositions à base du plomb, comme le PZT, largement utilisées dans les domaines stratégiques (militaire, aérospatial, médical)…. Il s'agira donc d'optimiser le coefficient de charge piézoélectrique d33, les coefficients du couplage k et la température de Curie Tc. Pour ce faire, ce travail de cotutelle s'appuiera sur des compétences complémentaires à savoir, d'une part, de l'élaboration, de la caractérisation structurale et des caractérisations électriques du côté du laboratoire CERAMATHS/DMP, et d'autre part, de la simulation par DFT et de la caractérisation Rietveld du côté du laboratoire marocain. Cette simulation permettra en effet de déterminer les compositions idéales avant de procéder à leur mise en forme et leur densification, étapes considérées comme énergivores et chronophages. Cette optimisation pourra se faire également sur d'autres compositions piézoélectriques sans plomb afin d'avoir une large gamme de matériaux piézoélectriques qui permettrait de couvrir différentes applications.

The aim of this thesis is to optimize experimentally and by simulation the piezoelectric properties of lead-free ceramics us BCTZ (Ba0,85Ca0,15)(Ti0,9Zr0,1)O3 and KNN (K0.5Na0.5Nb)O3 families in order to offer to end users alternative materials to lead-based compositions, such as PZT, widely used in some strategic fields (military, aerospace, medical) . In this work, the parameters to be characterized and optimized are piezoelectric charge coefficient (d33), the electromechanical coupling coefficients (k) and the Curie temperature (Tc). To do this, this cotutelle work will be based on complementary skills in synthesis, structural characterization and electrical characterizations at the CERAMATHS/DMP laboratory (Maubeuge, France) and DFT simulation and Rietveld characterization at LGP laboratory (Agadir, Morocco). This simulation will indeed make it possible to determine the appropriate compositions before proceeding with their shaping and densification steps considered to be energy-intensive and time-consuming. This optimization can also be done on other lead-free piezoelectric compositions in order to have a wide range of piezoelectric materials that would cover different applications.