Bases technologiques de la céramique piézoélectrique

Principe du fonctionnement piézoélectrique, pérovskite et polarisation

La piézoélectricité se base sur la faculté de certains cristaux à générer une charge électrique quand ils sont soumis à une charge mécanique de pression ou tension. Il est alors question de l'effet piézoélectrique direct. Ces cristaux subissent par contre une déformation contrôlée quand ils sont exposés à un champ électrique, on parle ici de l'effet piézoélectrique inverse. La polarité de la charge dépend de l'orientation du cristal par rapport à la direction de la pression.

Ce processus est appelé l'effet piézoélectrique direct. La déformation contrôlée est elle par contre appelée l'effet piézoélectrique inverse. La polarité de la charge dépend de l'orientation du cristal par rapport à la direction de la pression.

Direkter piezoelektrischer Effekt

Effet piézoélectrique direct

Inverser piezoelektrischer Effekt

Effet piézoélectrique inverse

La structure pérovskite

La céramique aux propriétés piézoélectriques fait partie du groupe des matériaux ferroélectriques. Les systèmes d'aujourd'hui sont quasiment tous à base de zirco-titanate de plomb (PZT); ils consistent donc en un mélange de cristaux de zirconate de plomb (PbZrO3) et de titanate de plomb (PbTiO3). Les composants céramiques piézoélectriques ont une structure polycristalline comprenant de nombreux cristallites (domaines) constitués chacun d'une pluralité de cellules élémentaires. Les cellules élémentaires de cette céramique ferroélectrique présentent la structure cristalline de pérovskite qui se décrit en règle générale par la formule A2+B4+O32-.

Diagramme schématique d'une structure pérovskite idéale ne tenant pas compte des distorsions dues à la polarisation spontanée en dessous de la température de Curie. Le cation bivalent est situé au centre du cube, les cations tétravalents constituant les coins du cube. Dans cette figure, les anions bivalents sont situés au centre de chaque bord de cube. La formule du mélange de cristaux PZT (zirco-titanate de plomb) est: A: Pb2+, B: Ti4+ / Zr4+

Propriétés piézoélectriques par polarisation

Immédiatement après le frittage, les domaines d'un corps céramique (les zones constituées de cellules élémentaires d'une direction dipolaire uniforme) montrent une orientation dont la répartition statistique est arbitraire, le corps macroscopique est isotrope et ne montre aucune propriété piézoélectrique.

Céramique ferroélectrique avant, pendant et après la polarisation

Ces propriétés piézoélectriques sont à engendrer par "polarisation". Dans ce processus, le corps céramique est exposé à un fort champ électrique DC qui entraîne l'alignement des dipôles électriques dans la direction du champ. Ces dipôles gardent en grande partie leur orientation même après la fin de l'application du champ DC (polarisation permanente), ce qui représente une condition indispensable pour assurer le comportement piézoélectrique de la céramique ferroélectrique.

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  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Langues: PDF, 2.6 MB

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