1.2 Historique de la
piézoélectricité
L'observation qualitative du phénomène
piézoélectrique a été faite au milieu du XIXe
siècle (1817) par un minéralogiste français l'abbé
René Just Haûy (d'après ses théories
cristallographiques) [11,12]. Ce fondateur de la cristallographie a en effet
par ses observations de la matière (étude systématique de
la morphologie générale des cristaux) apporté de grandes
connaissances au niveau de la géométrie atomique des cristaux et
participé à en déterminer des lois structurales.
La piézoélectricité a été
mise en évidence à Paris en 1880 par les frères Pierre et
Jacques Curie. Ces derniers montrèrent que les cristaux de quartz,
topaze, tourmaline, niobate de lithium, cane à sucre et sel de Rochelle
génèrent une polarisation électrique sous contraintes
mécaniques c'est à dire la production d'une charge
électrique sous contraintes mécaniques [13,14]. Cette
découverte attira immédiatement l'attention des scientifiques :
le français Gabriel Lippmann (1845-1921), Prix Nobel de physique en 1908
et inventeur de la photographie couleur, démontra de son
côté l'année suivante que le phénomène
était réversible et déduira mathématiquement du
principe fondamental de la thermodynamique la théorie des cristaux
piézoélectriques ; ainsi si des signaux électriques sont
appliqués sur le cristal, celui-ci se dilate et se comprime dans une
certaine direction, sa résonance mécanique favorisant les
vibrations à une fréquence donnée. C'est grace à
cette dernière propriété que le quartz a atteint une telle
notoriété [11,15]. Immédiatement les frères Curies
confirmèrent l'existence de l'effet piézoélectrique
inverse. Ils apportèrent une preuve
quantitative de la réversibilité complète de
la déformation électro-élasto-mécanique dans les
cristaux piézoélectriques.
La piézoélectricité n'était qu'une
curiosité de laboratoire mais la première guerre mondiale
(1914-1918) la fit entrer dans la voie des applications pratiques. En 1917,
Paul Langevin eut l'idée d'exciter des lames de quartz par un signal
électrique alternatif pour créer des ultrasons ; ceux-ci,
réfléchis sur la coque des sous-marins ennemis, retournent vers
d'autres cristaux piézoélectriques et y font naître des
tensions électriques alternatives aisées à
détecter. Ce générateur d'ondes ultrasonores « Sonar
» est la première utilisation conjuguée des effets
piézoélectriques direct et inverse. Cependant, cette invention ne
s'est pas perfectionnée jusqu'à la fin de la guerre [16,17].
Le succès du sonar a stimulé l'activité
intense de développement sur toutes sortes de dispositifs
piézoélectriques, résonnant et non-résonnant.
Walter G. Cady, en 1918, réalisa le premier oscillateur
électronique stabilisé par un cristal de quartz [11]. Il
établit le schéma électrique équivalent du
résonateur piézoélectrique. Dès lors, la
piézoélectricité devint l'associée de
l'électronique naissante. Elle permit la génération de
fréquences électriques, donc d'échelles de temps,
extrêmement stables.
La Seconde Guerre mondiale vit naître l'industrie
moderne de la piézoélectricité. Cinquante millions de
résonateurs à quartz piézoélectriques furent alors
fabriqués aux ÉtatsUnis. A la même époque furent
étudiés : des cristaux synthétiques, parfois
décevants à l'usage ; mais surtout certaines céramiques,
dites ferroélectriques, rendues anisotropes par un champ
électrique au cours de leur élaboration et présentant
ensuite un effet piézoélectrique intense [17].
En 1954, les zircono titanates de plomb (PZT) ont
été élaborés, et se sont répandus
très rapidement, car leurs propriétés supplantent de loin
celles de toutes les autres familles de composés [12].
En 1969, Kawai a été le premier à
découvrir les remarquables propriétés
piézoélectriques du polyvinylidène difluoré (PVDF).
Ce polymère piézoélectrique est le plus
étudié et utilisé [18].
Depuis le début des années 80, différents
nouveaux matériaux piézoélectriques ont été
élaborés. En particulier les composites
piézoélectriques qui ont vu jour peu après l'apparition du
titanate de barium comme céramique piézoélectrique lorsque
les chercheurs du Naval Research Laboratory ont voulu intégrer le
titanate de barium dans une matrice de polymère afin d'obtenir un
hydrophone flexible. D'autres tentatives ont consisté à combiner
des poudres de PZT avec un polymère, toujours afin d'obtenir des
matériaux piézoélectriques flexibles. Les premières
communications montrant le potentiel de ces matériaux pour les
applications sous-marines ont déclenché l'attrait des chercheurs
pour les composites piézoélectriques, notamment à
Pennsylvania State University [19,20].
| 
