Instrumentation

L’étude des propriétés de matériaux subissant une sollicitation mécanique a été réalisée

sur des échantillons de titanate de baryum synthétisés. Les échantillons testés ont été réalisés

sous forme de barreaux de dimensions 4 x 4 x 13 mm

3

+/- 0,07 x 0,07 x 1,08 mm

3

. Ces

dimensions ont été choisies pour que : (i) le rapport de forme hauteur > 3 x largeur soit

respecté et (ii) la largeur des barreaux soit assez grande pour pouvoir coller les capteurs de

déformation. Concernant les échantillons polarisés, la polarisation a été effectuée par Field

Cooling, suivant la direction de leur hauteur (la plus grande dimension) à une tension au

moins supérieure à 400 V/mm.

Une machine de traction/compression est utilisée afin d’appliquer une force uniaxiale sur le

matériau. Les dimensions ainsi que le type de contrainte permettent de considérer que le

matériau est sollicité en mode barreau (contraintes latérales nulles).

On considèrera donc qu’une contrainte mécanique purement longitudinale est appliquée aux

échantillons. La Figure 4-1 présente la disposition du matériau dans l’appareil de

compres-sion (Criterion Model 43, MTS Systems Corporation). Cet appareil nous permet d’appliquer

une force 𝐹 pouvant atteindre 10 kN et renvoie au système d’acquisition (MTS TestSuite,

logiciel TWElite) les données du déplacement de la traverse et de la force appliquée au cours

de l’essai avec une précision de 0,5% sur les valeurs mesurées. La contrainte longitudinale 𝑇

₃

appliquée est alors calculée via l’équation :

𝑇

₃

= ^𝐹

𝑆 (4.1)

Avec :

— 𝑆 surface d’appui des échantillons

Figure 4-1 – Schéma du dispositif expérimental utilisé pour la mesure des déformations de

matériaux sous contrainte mécanique uniaxial (le schéma n’est pas à l’échelle)

Comme le montre la Figure 4-1, le barreau est disposé verticalement sur la traverse inférieure

fixe avec un morceau de carton qui l’isole électriquement de celle-ci. De la même façon, un

morceau de carton est posé sur la face supérieure du barreau. Les plaques de carton, de 1,3 mm

d’épaisseur et pré-compressées à 1 kN, permettent d’isoler électriquement l’échantillon des

traverses métalliques mais aussi de compenser un éventuel défaut de planéité des faces de

l’échantillon. Leur influence sur l’acquisition des déformations est négligée.

Acquisition des déformations mécaniques

Afin de mesurer la déformation du matériau au cours de l’essai, des jauges de déformation

sont utilisées. Une jauge est constituée d’un fil possédant une certaine résistance (350 Ω

+/-0,2% dans notre cas). Lors de la déformation du matériau, la longueur du fil est modifiée ce

qui fait varier la valeur de sa résistance suivant la relation :

𝑅= ^𝜌.𝑙

Avec :

— 𝑅 (Ω) résistance du fil

— 𝜌 (Ω.m) sa résistivité

— 𝑙 (m) sa longueur

— 𝑆 (m

2

) sa section

Ainsi, une mesure de la variation de résistance de la jauge nous permet de remonter à la

variation de sa longueur et donc à la déformation du matériau.

Les faces latérales de l’échantillon sont polies afin d’assurer une adhérence optimale des jauges

lors de leur collage. De plus, un polissage est effectué sur les faces inférieures et supérieures

du barreau afin d’obtenir un parallélisme avec une précision de l’ordre de la dizaine de

mi-cromètres. Sur chacune des faces latérales, est disposée une plaque contenant une jauge pour

l’acquisition des déformations longitudinales et une autre pour les déformations

transver-sales. On dispose ainsi de huit jauges pour l’acquisition : quatre orientées pour l’acquisition

des déformations longitudinales et quatre pour les déformations transversales. Cela permet

de moyenner le signal obtenu sur les quatre faces du barreau afin de prendre en compte les

éventuels défauts d’alignement et de parallélisme.

Au cours de l’essai, le pilotage se fait en déformation, c’est-à-dire à vitesse de déformation

constante. Pour cela, une des jauges de déformation longitudinale est utilisée pour le pilotage

de l’essai. La mesure de la variation de résistance des jauges s’effectue à travers une mesure

de tension grâce à la connexion des jauges en pont de Wheatstone. Sept des jauges sont

connectées au système d’acquisition qui les relie en demi-pont avec une jauge de référence

placée sur un échantillon qui, au cours de l’essai, ne subit pas de contrainte mécanique. Ce

type de connexion permet de prendre en compte les variations de température qui influent

sur la mesure par dilation thermique. La jauge de pilotage est branchée en externe. On a

alors la possibilité de la brancher en pont complet au système. Cela permet une mesure plus

précise et une meilleure correction de l’effet de la température.

Acquisition de la quantité de charges déplacées et des déformations mécaniques

dans le cas d’un matériau piézoélectrique prépolarisé

Lors de l’application d’une contrainte mécanique, l’effet piézoélectrique direct se produit.

L’objectif est de récupérer les charges produites par l’échantillon lors de sa compression.

À cet effet, un condensateur est connecté en parallèle de celui-ci afin de récolter les charges

écoulées. Ce condensateur sera choisi avec une capacité très supérieure à celle de l’échantillon,

afin de pouvoir négliger l’influence de cette dernière. Pour la caractérisation des échantillons

polarisés, le schéma de la Figure 4-1 change donc pour celui de la Figure 4-2. Le barreau

piézoélectrique est disposé entre les traverses avec ses deux surfaces de contact recouvertes

d’une électrode d’argent. Deux plaques de cuivre (25 microns d’épaisseur) sont disposées de

part et d’autres du barreau et servent de reprise de contact pour la connexion au

conden-sateur. Un électromètre à très haute impédance d’entrée (200 TΩ) permet de récupérer la

tension aux bornes du condensateur et donc de remonter à la quantité de charges écoulées au

cours de l’essai. Bien que l’électromètre soit indiqué avec une impédance interne de 200 TΩ,

il a été constaté en continuant la mesure de la tension environ 1 h après la fin de la phase de

décharge mécanique que la valeur de la tension relevée par l’électromètre décroissait

réguliè-rement au lieu de rester constante. Cela signifie donc une décharge du condensateur. Pour

compenser cette perte de charge, cette perte a été estimée en la traçant au cours du temps et

en la modélisant par une courbe de type exponentielle décroissante. Cette exponentielle

dé-croissante est alors réappliquée en post-traitement sur la courbe expérimentale de la tension

en fonction de la contrainte afin de compenser les pertes de charges au cours de la mesure.

Pour finir, deux plaques de carton ayant le même rôle que précédemment sont utilisées.

Figure 4-2 – Schéma du dispositif expérimental utilisé pour la mesure des déformations

mécaniques et des déplacements électriques. L’échantillon est disposé entre deux plaques de

cuivre. Les faces supérieures et inférieures du barreau sont recouvertes d’une électrode

d’ar-gent. Le condensateur est chargé par la céramique piézoélectrique au cours de l’essai et la

tension aux bornes du condensateur est mesurée à l’aide de l’électromètre (le schéma n’est

pas à l’échelle)

Dans le document Céramiques piézoélectriques : le titanate de baryum dopé pour transducteurs acoustiques (Page 111-115)