Master Chimie de Matériaux
Matériaux oxydes pour les applications électriques et électroniques
P. Marchet
marchet@unilim.fr
électriques et électroniques
R. El Bouayadi
rachid.elbouayadi@uit.ac.ma
Introduction :
Propriétés piézoélectriques, pyroélectriques, ferroélectriques, électrostrictifs…
ferroélectriques, électrostrictifs…
La piézoélectricité
P. & J. Curie, C. R. Acad. Sc.,
91, 294-295, 1880
Polarisation sous l ’influence d ’une contrainte mécanique
Déformation sous l ’influence d ’un champ
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France Polarisation sous l ’influence
d ’une contrainte mécanique l ’influence d ’un champ électrique
Effet piézoélectrique direct
Effet piézoélectrique inverse
La piézoélectricité
Polarisation sous l ’influence d ’une contrainte mécanique
Déformation sous l ’influence d ’un champ La piézoélectricité (du grec, piézein, presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains matériaux de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique.
Polarisation sous l ’influence
d ’une contrainte mécanique l ’influence d ’un champ électrique
Effet piézoélectrique direct
Effet piézoélectrique inverse
mécanique en énergie électrique
Conversion de l’énergie
électrique en énergie mécanique
Effets piézoélectriques
Effet piézoélectrique direct
Compression ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Polarisation ↑↑↑↑
Tension ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Polarisation ↓↓↓↓
P = d . σ
ε ε ε
ε = d . E
Effet piézoélectrique inverse
Champ électrique ↑↑↑↑ ⇒ Extension
Champ électrique ↓↓↓↓ ⇒ Contraction
Rappel
Champ électrique
Rappel
Dipôle électrique
Rappel
Dipôle électrique
Le moment dipolaire de la maille cristalline de PbTiO3. A température ambiante, la pérovskite PbTiO3 est organisée selon un réseau tétragonal primitif. L’ion Ti4+ est légèrement au-dessus du centre de la maille et le centre de l’octaèdre formé par les ions O2- est également décalé vers le haut. Le centre de l’octaèdre est le barycentre des charges négatives (N), qui se retrouve au-dessus de l’ion Ti4+ tandis que le barycentre des charges positives est en-dessous de l’ion Ti4+. Il apparait donc un moment dipolaire .
Rappel
La pyroélectricité
Lorsque l’effet piézoélectrique est le seul présent, la polarisation n’existe que sous
contrainte :
POLARISATION NON PERMANENTE Dans le cas d’un matériau pyroélectrique, la polarisation existe en l’absence de contrainte :
POLARISATION SPONTANEE
La ferroélectricité
Pour un ferroélectrique, Ps peut être renversée par l’application d’un champ électrique
E
Un ferroélectrique est un pyroélectrique dont la polarisation est renversable
L'étude des matériaux ferroélectriques est relativement récente ; il fallut attendre le début des années 1950 et la découverte d'oxydes ferroélectriques simples de structure pérovskitepour pouvoir progresser dans la compréhension de cette propriété.
La ferroélectricité
Pour un ferroélectrique, Ps peut être renversée par l’application d’un champ électrique
le cycle d’hystérésis représente la réponse électrique du matériau à
l’application d’un champ électrique externe.
La ferroélectricité
La ferroélectricité
La ferroélectricité
La ferroélectricité
Les céramiques
L’électrostriction
Déformation sous Effet piézoélectrique
inverse
Déformation sous Effet électrostrictif
Déformation sous l ’influence d ’un champ électrique
ε ε ε
ε = d . E
Déformation sous l ’influence d ’un champ électrique
ε = M . E 2
on dit qu'il s'agit d'un effet du second ordre.
Effet piézoélectrique inverse
Champ électrique ↑↑↑↑ ⇒ Extension
Champ électrique ↓↓↓↓ ⇒ Contraction ε ε ε ε = d . E
Electrostriction Electrostriction Champ électrique ↑↑↑↑ ⇒ Extension
Champ électrique ↑↑↑↑ ⇒ Extension ε = M . E 2
Exemples d’utilisation des matériaux piézoélectriques, pyroélectriques, ferroélectriques, électrostrictifs, relaxeurs
Pyroélectricité : Détecteurs pyroélectriques
La
pyroélectricité(du grec, feu) est la propriété d'un matériau dans lequel un changement de température entraine une variation de
polarisation électrique.(une différence de potentiel temporaire).
Cette variation peut générer un courant électrique, ce qui rend ces matériaux utiles pour la détection
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France matériaux utiles pour la détection
de radiations ou la production
d'électricité. L'effet pyroélectrique
ne doit pas être confondu avec
l'effet thermoélectrique,où un
gradient de température fixé donne
naissance à une tension
permanente.
Mémoires ferroélectriques
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France
Samsung 4 Mbit 1T-1C 3 metal FRAMCe sont les deux états de “polarisation rémanente” qui confèrent à la mémoire son caractère non volatile.
Briquets
Dans un allume-gaz, la pression exercée produit une tension électrique qui se décharge brutalement sous forme d’étincelles : c'est une application de
l’effet direct.SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France
Buzzers
Haut-parleurs
Microphones pour instruments de musique
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France
Injecteurs de moteurs diésel
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France
Transducteurs pour échographie médicale
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France
Micro dispositifs mécaniques
Micro Electro Mechanics Systems (MEMS)
Micro interrupteur Récupérateur d’énergie vibratoire
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France
Heidelberg Instruments
Micro dispositifs mécaniques
Micro Electro Mechanics Systems (MEMS) Accéléromètres
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France
Déclencheurs d’airbags
Moteurs piézoélectriques
http://www.geniemeca.fpms.ac.be/Recherche/recherche_piezoelectrique.htm
Récupération d’énergie
Piste de danse Dalles lumineuses
Pavegen : sous les pavés, l’électricité
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France
http://www.cleantechrepublic.com/tag/piezoelectricite/
(Cornell University)
Récupération d’énergie
Energie éolienne
Transformer les vibrations du vent en électricité
Energie vibratoire liée aux transports terrestres
SPCTS, Université de Limoges-CNRS, France
http://www.cleantechrepublic.com/tag/piezoelectricite/ (Cornell University) http://www.innowattech.co.il/index.aspx
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Un très grand nombre de possibilités d’utilisation de ces matériaux
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