2.6.3 Choix des matériaux
En y regardant de près les structures décrites
à la section on peut apercevoir que dans chaque configuration il est
question de lier des matériaux piézoélectriques
appelés matériaux actifs (en bleu) avec des matériaux
non-piézoélectriques dits passifs (en gris). Le matériau
passif utilisé doit en même temps avoir un bon facteur de
qualité mécanique pour minimiser les pertes d'énergie mais
aussi être conducteurs d'électricité. En effet les charges
électriques apparues à la surface du matériau
piézoélectrique y sont recueillies à travers les
matériaux passifs. La partie passive d'une structure
piézoélectrique est appelé substrat.
2.6.3.1 Choix du
matériau du substrat
Le substrat (matériau passif non couplé) : en
général le substrat est utilisé pour augmenter le couplage
mécano-mécanique, c'est-à-dire amplifier le
déplacement relatif de la masse sismique par rapport à
l'amplitude de déplacement de la source de vibration. En effet, ce
matériau est choisi pour avoir le meilleur facteur de qualité
mécanique possible.
Le choix du matériau du substrat s'articule autour de
quatre points essentiels :
? Le facteur qualité mécanique (Qm): il est
inversement proportionnel aux pertes
mécaniques dans le
matériau considéré. On cherche toujours à obtenir
le
meilleur facteur de qualité possible afin de minimiser les
pertes.
? Le module d'Young (Y): les structures que nous cherchons
à dimensionner sont
destinées à travailler dans des
milieux à basses fréquences (< 50 Hz), donc le
mieux est de
choisir un matériau dont la raideur ne sera pas très grande afin
de
pouvoir atteindre ces fréquences de résonance pour des
structures de tailles
centimétriques.
? La masse volumique ( ñ ) : une forte masse volumique
permet d'obtenir une
grande masse effective à petit volume, et donc
une faible fréquence de
résonance.
? Une conductivité électrique suffisante s
Voici le Tableau 2-7 qui compare les matériaux les plus
utilisés comme substrat
|
Type de matériau
|
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Y[N.cm-2]
|
ó [106 S.m-1]
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Q
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  [10-7]
|
|
Laiton
|
8.5
|
110
|
15,9
|
20
|
159
|
|
Acier
|
7.5
|
210
|
5,9
|
40
|
59
|
|
Silicium
|
2.3
|
135
|
400
|
150
|
10320
|
|
Quartz
|
2.6
|
100
|
10-22
|
104
|
265.10-9
|
Tableau 2-7 : Comparatif des
principaux matériaux utilisées comme substrat
De ce tableau on peut tirer les conclusions suivantes :
- Le Quartz n'est clairement pas une option envisageable vu la
très faible valeur obtenue ;
- Le silicium présente un meilleur facteur de
mérite, il faut toutefois ne pas omettre son coût de fabrication
qui reste relativement élevé ;
- Le laiton quant à lui présente une bonne
valeur obtenue, et un coût de fabrication raisonnable ;
- Enfin l'acier présente de bonnes performance et vu
son coût de fabrication peu élevé il est très
répandue dans les structures PEH
Remarquons la corrélation entre la valeur obtenue et la
conductivité électrique, c'est le matériau avec la
meilleure conductivité électrique qui l'emporte vu le grand
facteur multiplicateur qu'elle implique. Cette façon de voir les choses
ne fais pas l'unanimité dans la communauté scientifique et on a
tendance à ne pas inclure la résistivité dans les figures
de mérite de choix des matériaux piézoélectriques
car elle s'impose de par sa valeur.
Pour la suite de notre travail, nous utiliserons le laiton comme
matériau du substrat car en plus d'être bon conducteur
d'électricité il possède une bonne résistance
à l'usure et à la corrosion.
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