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  • Chapitre 5

    Effets mis en uvre dans les matriauxlectroactifs.

    Les matriaux lectroactifs sont des matriaux intelligents, cest dire quils possdent unegamme de sensibilit des sollicitations diverses. Par exemple, les alliages mmoire de formesont des matriaux capables de recouvrer " chaud" leur forme initiale pralablement modifie" froid". Ils rpondent donc laction thermique (le rchauffement) par un effet mcanique(le changement de forme).

    Par matriaux lectroactifs, nous entendons, dans ce cours, les matriaux intelligents dontlaction est dorigine lectrique ou magntique, et leffet mcanique. En dautres termes, ilspossdent, de par leur structure, un couplage electro-mcanique. Cela concerne les matriauxpossdant les proprits :

    de pizo-lectricit de magnto et dlectrostrictionA ces matriaux, nous inclurons certains fluides dont lusage est de moins en moins mar-

    ginal. Ce sont les fluides magnto et lectro rhologique qui voient leur viscosit varier paraction sur le champ magntique ou lectrique extrieurs. Nous inclurons aussi les alliages mmoire de forme ; dans ce dernier cas, il ne sagit pas dun couplage lectromcanique au sensstrict puisque laction est thermique. Cependant, dans un bon nombre dapplications, lactionthermique drive dun courant lectrique qui passe au sein mme du matriau augmentant parperte joule sa temprature.

    Ainsi, ces matriaux lectroactifs offrent lavantage dune conversion lectromcanique di-recte. Cest dire que la constitution gomtrique de la matire, lorganisation du rseaucristallin par exemple, peut changer sous laction des champs lectriques ou magntiques ex-trieurs, gnrant des allongements. Par opposition aux effets electrodynamiques qui gnrentdes efforts distance, nous avons ici une conversion dnergie soprant au sein mme de lamatire.

    Dans la premire partie de ce cours, nous dcrivons les effets tels que dfinis prcdemment.Puis nous aborderons dans un second chapitre et de manire plus approfondie la descriptionde leffet pizo-lectrique.

    5.1 Leffet pizo-lectriqueLeffet pizo-lectrique direct traduit laptitude de quelques matriaux se polariser sous

    lapplication dun effort mcanique, la charge lectrique apparaissant leur surface tantproportionnelle la contrainte exerce.

    23

  • CHAPITRE 5. EFFETS MIS EN UVRE DANS LES MATRIAUX LECTROACTIFS.24

    Ce phnomne est rversible, cest dire quil est possible dobtenir pour ces mme mat-riaux des dformations lorsquon les soumet un champ lectrique : cest leffet inverse.

    G+

    G-

    F

    G+

    G-

    Fig. 5.1 Cristal possdant un centre de symtrie.

    F

    G+

    G-

    G+

    G-

    Po

    Fig. 5.2 Cristal ne possdant pas de centre de symtrie. Le barycentre des charges se dplace,crant une polarisation Po.

    Tous les matriaux ne sont pas pizo-lectriques, et seuls les cristaux ne prsentant pas decentre de symtrie en possdent les caractristiques. Il en rsulte dailleurs un axe privilgidapparition des charges lectriques qui est appel direction de polarisation. Ceci est illustrfigure 5.1 et 5.2. Dans le premier cas ( figure 5.1 ) le cristal est centro-symtrique et lapplicationdune contrainte, si elle engendre une dformation du matriau, ninduit pas de dplacementdes barycentres positif et ngatif, si bien quaucune polarisation napparat.

    Dans le second cas, ( figure 5.2 ), la dformation entrane un dplacement des barycentres,et une polarisation lectrique Po apparat alors.

    De tels solides sont peu nombreux ltat naturel, le plus connu tant le Quartz. Mais onrencontre depuis les annes quarante des matriaux pizo lectriques de synthse, sous formede cramique.

    Les allongements obtenus sont cependant trs faibles : 300ppm pour des champs lectriquesde lordre de 1MV/m. Par exemple, un barreau de cramique PZT dune longueur de 3cmaliment sous une tension de 1000V sallonge de 30m. Ces dplacements sont extrmementmodestes. Mais les contraintes admissibles sont, elles, consquentes, de lordre de 40MPa 100MPa. Ce qui fait que les matriaux pizo-lectriques sont capables de dplacer des chargesnormes, mais sur de petites distances. Un paralllpipde de section de 40mm2 de matriaupizo-lectrique sera donc capable de dplacer une charge de 100kg (toujours sous 1000V ).

    Dans une premire approximation, les allongements sont linaires en fonction de la tensionapplique. Cest ce que montre la figure 5.3, pour le cas A (cas dun allongement sous tensiondalimentation U variable, et contrainte nulle). Lorsque quune charge mcanique est relie aubarreau, lallongement de la cramique devient moins grand, mais reste linaire et la pente enfonction de la tension est conserve. Cest le cas B, pour lequel la charge est constante.

    Une premire mthode de fabrication de matriaux pizo-lectriques de synthse consiste maintenir haute temprature la composition chimique du cristal. Puis, on approche la

  • CHAPITRE 5. EFFETS MIS EN UVRE DANS LES MATRIAUX LECTROACTIFS.25

    A

    B

    Fig. 5.3 Allongement dun barreau de cramique. Cas A, sous charge nulle, cas B, dplaantune charge constante (emphhttp ://www.physikinstrumente.com/).

    surface de ce mlange en phase liquide un noyeau que lon vient ensuite tirer. A mesure quelon tire, les forces superficielles de contact tendent soulever le liquide qui du mme coup serefroidit et passe en phase solide. Cette mthode est appele synthse de Czochralsky (figure5.4). Les matriaux obtenus sont trs purs, et possdent des proprits excellentes en terme detenue en temprature ou de linarit. Malheureusement, les proprits pizo-lectriques sontfaibles.

    Fig. 5.4 Synthse de matriaux par procd de Czochralsky. a) le matriau final obtenu en1 semaine b) principe et c) dispositif.

    Pour obtenir des matriaux se dformant davantage, on procde diffremment. A partirde poudre que lon fritte (on soude les grains les uns aux autres) sous charge axiale ce quipermet daugmenter encore leur tenue mcanique et de diminuer la porosit on ralise unconditionnement sous forme de film, de disque, de btonnet de section carre ou circulaire.

    On obtient alors un matriau qui ne prsentent que peu ou pas de polarisation naturelle lchelle macroscopique. En effet, celui-ci nest pas homogne, mais est constitu de grains ; etsi on tudie une vue en coupe dune cramique par exemple, on voit apparatre des domaines

  • CHAPITRE 5. EFFETS MIS EN UVRE DANS LES MATRIAUX LECTROACTIFS.26

    Prparationdes poudres

    Pressage BrulgeFrittage sous

    contrainteet 1200C

    UsinageMtallisationPolarisation

    Fig. 5.5 Fabrication des cramiques

    dont la polarisation occupe une direction propre, mais diffrente des domaines voisins. A ltatnaturel, les polarisations sont orientes de manire alatoire, et leur somme est nulle. Cestpourquoi, le processus de fabrication de ces matriaux doit faire apparatre une phase depolarisation. Pour cela, on soumet lchantillon un champ lectrique intense ( de lordredu kV.mm1 ) , forant les domaines s orienter selon une direction privilgie. Les grainsaux polarisations alatoires donnent un caractre fortement anisotropique la matire, si bienque les caractristiques dpendent de la direction dapplication des champs ou des effortsextrieurs.

    Domaines

    Polarisationslmentaires

    Po

    Avant polarisation

    E

    Phase de polarisation

    Po

    Aprs la polarisation

    Fig. 5.6 Polarisation dun morceau de cramique. Le champ E intense force les domaines sorienter selon une direction privilgie.

    La figure 5.7 montrent quelques chantillons dactionneurs pizo-lectriques.Lapplication qui a rvl lintrt de la pizo-lectricit, et qui a suscit de gros effort de

    R et D est le sonar. Cet instrument gnre des ondes acoustiques dans leau permettant demesurer la profondeur des fonds marins. Cest ensuite le nettoyage par ultrasons, bas surle mme principe. Ce sont l des applications forte nergie o les volumes de matriauxpizo-lectriques sont grands.

    Dans la catgorie du micro et du nano positionnement ( tte de microscope effet tunnel...)ces matriaux offrent une grande souplesse dutilisation car la commande est simple puisquil ya proportionnalit entre la tension applique et lallongement mesur. Dans le domaine grandpublic, de petits barreaux pizo-lectriques sont utiliss pour raliser des microvannes dans lesttes dimpression des imprimantes jet dencre.

    Enfin, les actionneurs pizo-lectriques sont fortement pressentis dans leffort de minia-turisation de certaines fonctions lectromcaniques. Par exemple, des moteurs de quelquesmillimtres de long ont t mis en uvre pour actionner le mcanisme dautofocus dunecamra embarque sur un tlphone portable.

  • CHAPITRE 5. EFFETS MIS EN UVRE DANS LES MATRIAUX LECTROACTIFS.27

    Fig. 5.7 Quelques exemples dactionneurs pizo-lectriques. Celui de droite est capable desallonger de 350m.

    5.2 La MagntostrictionPour les alliages magntostrictifs, laugmentation du champ magntique dans la direction

    longitudinale provoque un allongement de lchantillon considr. Ce phnomne, dcouvertpar Joule en 1842 est rversible, cest dire que ces matriaux, lorsquon les allonge, sai-mantent (effet Villari). Un bon matriau magntostrictif doit possder un allongement cons-quent sous son champ de saturation, mais il doit aussi bien canaliser les lignes de champmagntique (avoir une permittivit relative grande) pour rendre plus simple son aimantation.Comme matriau rpondant bien ces exigences, citons :

    les alliages fer-cobalt (Co60-Fe40) ou Fer-Cobalt-Nickel possdent un allongement pluttfaible (60 70 ppm) mais canalisent trs bien les lignes de champ et sont simples mettreen vre,

    les alliages Terfenol-D (en ralit de composition Tb1xDyxFe2 avec x = 0.7) reprsenteun bon compromis entre la magntostriction (jusqu 1000ppm) et canalisent raisonna-blement bien les lignes de champ.

    De manire gnrale, les dformations observes sont de lordre de 2 5 fo