2.4 Les matériaux piézoélectriques
Il existe 32 classes cristallines parmi lesquelles 20
possèdent des propriétés piézoélectriques,
à ce jour environ 200 matériaux piézoélectriques
sont utilisés pour des applications de récupération
d'énergie, répartis en 4 principales catégories (Covac, et
al., 2020) :
- Monocristaux (sel de Rochelle, niobate de lithium, cristaux
de quartz) ;
- Les céramiques (titanate de baryum
(BaTiO3), (PZT), niobate de potassium (KNbO3)) ;
- Les polymères (l'acide polylactique (PLA),
polyfluorure de vinylidène (PVDF), copolymères, cellulose et
dérivés) ;
- Polymères composites ou nanocomposites (fluorure de
polyvinylidène-oxyde de zinc (PVDF-ZnO), cellulose BaTiO3,
polyimides-PZT).
Ces différents matériaux peuvent
également être classés selon les catégories
suivantes :
- Composé naturel : le quartz, le sel de Rochelle,
la topaze ou encore la tourmaline.
- Composé synthétique : titanate de baryum,
titanate de plomb, niobate de lithium, titanate-zirconate de plomb.
A ce jour les titano-zirconates de plomb (PZT) sont les plus
répandus des matériaux précités et ils
présentent les caractéristiques suivantes :
- Ils présentent un fort effet
piézoélectrique et de faibles pertes diélectriques
- Leurs procédés de fabrication sont simples
- Ils sont compatibles avec les micro systèmes
électromécaniques (MEMS)
- Ils sont néanmoins très toxiques à
cause de la présence de plomb
Le Tableau 2-4 résume les différentes classes de
matériaux utilisés ainsi que leurs
caractéristiques tandis que le Tableau 2-5 compare les deux classes
les plus utilisées que sont les PZT et les PVDF.
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Type
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Description et caractéristiques
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Exemples
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Monocristaux
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? Leurs propriétés
piézoélectriques exceptionnelles font qu'ils sont très
utilisés pour les capteurs et actionneurs ;
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? Oxyde de Zinc (ZnO) ;
? Matériaux à base de Niobate de plomb et de
magnésium (PMN) : ex. PMN-PT
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Piézocéramiques à base de Plomb
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? Matériaux piézocrystalins avec structure
pérovskite ;
? Effet piézoélectrique élevé et
faibles pertes diélectriques
? Procédé de fabrication simple ;
compatible avec les MEMS ;
? Fortement toxique à cause de la présence de
Plomb.
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? Ce sont surtout des PZT modifiés comme :
Niobate de Plomb et Magnésium-PZT (PMN-PZT), PZT-5A, Oxyde de Zinc
amélioré PZT (PZT-ZnO)
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Les piézocéraiques sans Plomb
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? Matériaux non-toxiques ;
? Plus faible effet piézoélectrique ;
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? BaTiO3 ;
? Titanate de Bismuth et de Sodium (BNT-BKT) ;
? Matériaux à base de : Niobate de
potassium et de sodium (KNN) ; LS45, KNLNTS
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Les piézopolymères
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? Flexibles, non toxiques et légers ;
? Plus faible couplage piézoélectrique que les
piézocéramiques ;
? Faible coût de production ;
? Biocompatible, biodégradable et consomme moins
d'énergie par rapport aux autres matériaux
piézoélectriques.
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? Sont utilisés dans la fabrication des MEMS
piézoélectriques ;
? Polymères dérivés de Polyfluorure de
vinylidènes (PVDS)
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Tableau 2-4 : Types et
caractéristiques des matériaux piézoélectriques
(Covac, et al., 2020)
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Paramètres
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Céramiques piézoélectriques
(PZT)
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Polymères piézoélectriques
(PVDF)
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Piézoélectricité
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Forte
|
Faible
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Masse volumique typique(103 kg m-3)
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7.5
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1.78
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Permittivité relative ( 
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1200
|
12
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Constante de charge piézoélectrique
(10-12 C N-1)
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Constante de tension piézoélectrique
(10-3 V m N-1)
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  ,  
|
  ,  
|
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Flexibilité mécanique
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Faible
|
Forte
|
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Température de Curie (oC)
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386
|
80
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Tableau 2-5 : Comparatif
entre les polymères et céramiques
piézoélectriques
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