DANS LES CERAMIQUES DE TYPE PZT
III.1. Introduction
Les zircono-titanate de plomb PZT sont des matériaux largement utilisés dans diverses applications, mais rarement dans une formule chimique simple. Ils sont souvent modifiés par l’introduction d’éléments de substitution (dopants) dans les sites-A ou les sites-B, de leur structure pérovskite ABO3. Le rôle des dopants est généralement l’amélioration des propriétés de ces matériaux en vue de leurs adaptations à de bonnes applications [1]
La nature ferroélectrique et piézoélectrique de la céramique PZT a rendu aujourd’hui la technologie de fabrication de ces matériaux de plus en plus intéressante. Ceci est justifié par l’intense activité piézoélectrique des céramiques de type PZT pour des compositions proches de la frontières morphotropique de phase (FMP) [2] séparant deux phases ferroélectriques : la phase tétragonale et la phase rhomboédrique. La figure III.1 décrit la frontière morphotropique de phase dans le système binaire PbZrO3-PbTiO3, et montre que la phase tétragonale est stable à une composition qui varie de x = 0 à x = xR, alors que la phase rhomboédrique apparaît à x = xR jusqu’à x = 1 avec xR < xT. Il s’avère ainsi que les deux phases coexistentdans le domaine xR< x < xT.
Figure III.1 : Diagramme binaire de phase de PbTiO -PbZrO en fonction de la température Tétragonale (T)
La région de coexistence des deux phases tétragonale- rhomboédrique (T+R) correspond à la variation de la concentration x = xT - xR appelée largeur de la frontière morphotropique de phase, qui dépend du procédé d’élaboration et qui peut être modifiée en introduisant des dopant dans la structure pérovskite. Un changement quelconque de composition par le dopage d’oxydes métalliques, déplace la frontière morphotropique vers la droite ou vers la gauche.
La plupart des études ont montré que la frontière morphotropique de phase apparaît à un rapport spécifique de Zr à Ti dans la solution solide PZT, alors qu'un autre groupe de chercheurs a démontré qu'il peut y avoir une région de coexistence de phase tétragonale et rhomboédrique sur une large rangée de compositions autour la frontière morphotropique de phase [3-5]. Plusieurs d'auteurs ont montré que la coexistence des deux phases autour de la FMP est due à la variation de la composition locale de Zr/Ti.
Lors de la transition de phase (tétragonale-rhomboédrique) en fonction de la composition, les distorsions tétragonale et rhomboédrique caractérisées par cT/ aT et 90-αR respectivement diminuent d’une façon continue si l’on approche de la FMP d’un côté ou d’un d’autre.
P. Ari-Gur et L. Benguigui [6] ont constaté que les céramiques du type Pb (ZrxTi1-x)O3
montrent pour X =0.55 (à la température ambiante) une transition morphotropique de la phase tétragonale ferroélectrique à la phase rhomboédrique ferroélectrique. Ils ont démontré aussi que dans cette composition les modules piézoélectriques, la constante diélectrique et la polarisation rémanente des matériaux polycristallins ont leurs valeurs maximums.
A. P. Singh et al [7] ont rapporté que les compositions en PbZrO3 correspondant à la transition de phase sont comprises entre 0.52 et 0.53 Au-dessus de 0.53 la PZT possède la structure rhomboédrique, en dessous de 0.52, elle possède la structure tétragonale.
Divers travaux ont été réalisés au laboratoire de chimie appliqué (université Mohamed Khider-Biskra) [8-10] sur les matériaux dopés. Ces travaux ont été basés sur la synthèse et l’étude des nouveaux systèmes ternaires dans le but d’améliorerleurs propriétés physiques.
A. Boutarfaia [11] s’est intéressé au système : xPbZrO3yPbTiO3Pb (Fe1/5, Ni1/5, Sb3/5) O3.La frontière morphotropique de phase ce système ternaire est mis en évidence à l’aide de la méthode d’addition géométrique, en fait la phase rhomboédrique se forme a XR> 45 tandis que la phase tétragoinale se forme a XT< 44. Les deux phases Coexistentà X = 0.44-0.45.
Plusieurs autre systèmes ont été étudies tel que : PZT-SFN [12], PZT-CCT [13], PMF-PZN-PZT[14],PZS-PLZT[15].
Diverses méthodes sont employées pour localiser les compositions correspondant à la frontière morphotropique de phase des céramique de type PZT et ses dérivées (addition des dopants), parmi les quelles:
L’analyse par diffraction des rayons X [5].
L’analyse théorique thermodynamique [16,17].
Les mesures des propriétés diélectriques et piézoélectriques [18,19].
III.2. Synthèse et élaboration des céramiques
L’objectif principal de cette étude est de localisé la frontière morphotropique de phase(FMP) séparant les deux phases dans la solution solide PZT dopée. La synthèse de nos échantillons a été faite par la méthode céramique (la voie solide), définie de façon détaillée dans le chapitre II.
La formule chimique de nos échantillons que nous avons choisie pour cette étude est : (0.54-x)Pb(Cr1/5,Ni1/5,Sb3/5)O3-0.46PbZrO3-xPbTiO3 ou par cette formule Pb [Zr0.46
Tix(Cr1/5,Ni1/5,Sb3/5)(0.54-x)]O3
Avec x prend les valeurs 0.42; 0.44; 0.46; 0.48 ; 0.50 successivement Nous limiterons notre étude expérimentale à une série, on faisant varier :
Le rapport Zr/Ti et le dopage au site B du PZT
Les températures de frittage (1100, 1150, 1180 et 1200 °C).
Le tableau ci-dessous (Tableau III.1) résume les différentes compositions que nous allons synthétiser.
Tableau III.1 : Différentes compositions de céramique préparées.
N° Echt x
Matrice
(0.54-x)Pb(Cr1/5,Ni1/5,Sb3/5)O3-0.46PbZrO3-xPbTiO3
1 0.42 0.12Pb(Cr1/5,Ni1/5,Sb3/5)O3-0.46PbZrO3-0.42PbTiO3
2 0.44 0.10Pb(Cr1/5,Ni1/5,Sb3/5)O3-0.46PbZrO3-0.44PbTiO3
3 0.46 0.08Pb(Cr1/5,Ni1/5,Sb3/5)O3-0.46PbZrO3-0.46PbTiO3
4 0.48 0.06Pb(Cr1/5,Ni1/5,Sb3/5)O3-0.46PbZrO3-0.48PbTiO3
5 0.50 0.04Pb(Cr1/5,Ni1/5,Sb3/5)O3-0.46PbZrO3-0.50PbTiO3
III.3. Conditions de stabilité de la structure pérovskite
Le tableau III.2 résume les différentes compositions que nous allons synthétiser et les résultats de calcule de chaque condition de stabilité
Tableau III.2: Facteur tolérance pour Différentes compositions de céramique préparé.
x
Matrice
CNS/Zr/Ti Echantillons
Conditions compositions car toutes les compositions obéissent aux conditions de stabilité d’une pérovskite
20 40 60 80
¨
Inte nsité
2 Teta (degrés)
¨ pyrochlore
(a)
Ech N° 1
20 40 60 80
Intensité
Ech N° 2
(b)
20 40 60 80
Intensité
2 Teta (degrés) (a)
(b) (c)
¨
¨ pyrochlore
Figure III.2 : Diagramme DRX de la composition PZT-CNS calcinée à 900 °C. a) x = 42 % , b) x = 44 %, c) x = 46 %
20 40 60 80