Domaine d’utilisation en température des matériaux

Lorsqu’on travaille avec le titanate de baryum, l’inconvénient récurant concerne la

tem-pérature de Curie qui est trop basse. La Figure 2-15 présente l’évolution de la constante

diélectrique en température de la composition (Ba

0,99

Ca

0,01

)(Ti

0,99

Co

0,005

Nb

0,005

)O

3-𝛿

, 1 mol%

Li

2

CO

3

(noté BTCaCoNb, 1% Li

2

CO

3

) dont il a été vu que les propriétés s’approchent de

celles du PZT-4.

Figure 2-15 – Évolution en température de la constante diélectrique de (Ba

_0,99

Ca

_0,01

)(Ti

_0,99

Co

_0,005

Nb

_0,005

)O

_3-𝛿

, 1 mol% Li

₂

CO

₃

On trouve sur cette figure la température de Curie à 114 °C. On peut également observer la

transition de phase orthorhombique – quadratique qui commence vers 5 °C et qui implique une

variation de la constante diélectrique. On observe aussi une hystérésis thermique au niveau des

transitions de phase, caractéristique d’une transition de phase du premier ordre. La courbe

présentée sur cette figure nous permet ainsi de savoir qu’au-delà de 114 °C, le matériau perd

ses propriétés piézoélectriques. Cependant, elle ne nous renseigne pas sur l’évolution de ces

mêmes propriétés sur l’intervalle de température où le matériau piézoélectrique peut être

utilisé. En particulier, est-ce que le passage de la transition orthorhombique – quadratique

implique une variation des propriétés piézoélectriques ?

Trois expériences différentes ont alors été effectuées afin d’analyser le domaine de

tempé-rature sur lequel ces matériaux peuvent être utilisés. Trois échantillons de la composition

(BTCaCoNb, 1% Li

2

CO

3

) vont chacun subir un cycle différent de température tandis que

leurs propriétés piézoélectriques seront mesurées. Les échantillons sont plongés dans un bain

d’huile chauffé à l’aide d’un module thermoélectrique et les caractéristiques piézoélectriques

sont mesurées par impédancemétrie.

Expérience 1 : cycle de 25 à 80 °C aller/retour

Le but de cette expérience est de déterminer si les propriétés piézoélectriques évoluent

lorsque le matériau est chauffé. Le cycle de température s’arrête à 80 °C pour éviter de

se rapprocher de T

_C

et les propriétés sont également mesurées lors du retour à 25 °C pour

déterminer si des modifications irréversibles se sont produites au sein du matériau. La Figure

2-15 nous indique que sur la plage de température considérée aucune transition de phase n’est

franchie.

La Figure 2-16(a) nous présente l’évolution de certaines constantes du matériau en fonction

de la température. On observe que le coefficient de couplage en mode épaisseur k

t

ne varie pas

de manière significative avec la température (confirmé par la Figure 2-16(c)). Cependant,

de façon surprenante, alors que le k

t

présente peu de variation, le k

p

, lui, diminue lorsque

la température augmente. Cette diminution est bien marquée par la diminution de

l’inter-valle de fréquence entre la résonance et l’antirésonance du module de l’impédance présenté

Figure 2-16(b). Plus précisément, il passe de 41,1% à 25 °C à 31,1% à 80 °C. De plus, la

fréquence d’antirésonance du mode radial augmente avec la température : la vitesse suivant

le mode radial augmente, ce qui traduit une augmentation de la rigidité du matériau dans la

direction de ce mode. Ce phénomène est aussi reporté dans le cas de certains PZT lorsqu’on

se rapproche de la température de Curie [MEG18] (Annexe B). Pour finir, on constate que

cette diminution des propriétés est réversible. Lors du retour à 25 °C, le matériau récupère

les propriétés qu’il possédait à chaque température.

Expérience 2 : de 25 à 110 °C aller simple

On a vu que le coefficient de couplage k

t

était stable jusqu’à 80 °C alors que le k

p

diminuait

progressivement. Si on réalise l’expérience de 25 °C jusqu’à 110 °C, on observe que

l’échan-tillon se dépolarise à 110 °C, au niveau de sa température de Curie. On observe de manière

similaire à l’expérience précédente sur l’intervalle 25 – 105 °C que le k

t

reste stable alors

que le k

p

diminue progressivement. En allant plus loin, on observe avec la dépolarisation du

matériau que le k

t

passe brutalement de 43,5% à 0%.

Expérience 3 : cycle de 20 à -15 °C aller/retour

Figure 2-16 – Dépendance des propriétés du (BTCaCoNb, 1% Li

₂

CO

₃

) en fonction de la

température. (a) Évolution des coefficients de couplage k

p

et k

t

, et de la fréquence

d’antiré-sonance. Les couleurs orange et bleue permettent d’indiquer l’évolution respective lors de la

montée ou la descente en température. (b) Évolution en température du module de

l’impé-dance correspondant au mode radial. (c) Évolution en température du module de l’impél’impé-dance

correspondant au mode épaisseur

transition de phase orthorhombique – quadratique implique une évolution des propriétés

piézoélectriques.

Partant de 20 °C, on fait décroître la température jusqu’à -15 °C. Sur la Figure 2-15, il

faut donc considérer la courbe brune lors de la descente en température qui nous indique

une transition de phase autour de -5 °C. Cette valeur de température pour la transition de

phase quadratique – orthorhombique est confirmée dans cette expérience Figure 2-17(a) par

l’évolution de la capacité mesurée à 1 kHz. On observe de plus, comme sur la Figure 2-15,

Figure 2-17 – Dépendance des propriétés du (BTCaCoNb, 1% Li

₂

CO

₃

) en fonction de la

température. (a) Évolution des coefficients de couplage k

p

et k

t

, de la capacité et des pertes

diélectriques. Les couleurs bleue et orange permettent d’indiquer l’évolution respective lors

de la descente ou de la montée en température. (b) Évolution en température du module

de l’impédance correspondant au mode radial. (c) Évolution en température du module de

l’impédance correspondant au mode épaisseur

l’hystérésis thermique entre l’aller et le retour en température. Concernant les propriétés

pié-zoélectriques, on observe que les coefficients de couplage augmentent lorsqu’on se rapproche

de la transition de phase. En effet, le k

p

passe de 40,5 à 46,5% et le k

t

de 43,0 à 49,0%. Passée

la transition, le k

p

reprend une valeur plus proche de sa valeur initiale (43,5%) mais le k

t

conserve une valeur plus élevée (48%). Encore une fois, lors du retour à 20 °C, on retrouve

des propriétés très similaires à l’état initial. L’hystérésis thermique peut expliquer les valeurs

légèrement plus élevées obtenues pour le k

p

lors du retour à 20 °C : on se situe encore près

de la transition de phase.

Pour finir, on peut regarder les Figures 2-17 (b) & (c) représentant l’évolution du module

de l’impédance avec la température. On observe le même phénomène que pour l’expérience

1 : la fréquence de résonance du mode radial diminue avec la température, on a ainsi une

diminution de la vitesse. Cependant, on observe un saut entre -5 °C et -10 °C. Lorsque la

transition de phase est franchie, la vitesse réaugmente brutalement traduisant le changement

de rigidité du matériau lorsqu’il change de phase. La tendance de l’évolution de la vitesse des

ondes en fonction de la température semble ensuite s’inverser. En effet, passée la transition,

lorsque la température diminue de -10 à -15 °C, la vitesse augmente. De plus, contrairement

à l’expérience 1, ces évolutions de la vitesse des ondes dans le matériau sont aussi observées

suivant le mode épaisseur, ce qui est une nouvelle fois cohérent avec le fait que le matériau

change de phase.

2.3.6 Cycle d’hystérésis : écart par rapport au cas classique du

Dans le document Céramiques piézoélectriques : le titanate de baryum dopé pour transducteurs acoustiques (Page 75-79)