2.6.3.2 Le choix du
matériau piézoélectrique
Le choix du matériau piézoélectrique
dépend grandement de l'application que nous cherchons à
réaliser. Dans notre cas, pour maximiser la portion d'énergie
mécanique convertie on aura besoin d'un fort couplage
électromécanique. Le choix du matériau
piézoélectrique se base donc sur les paramètres
intrinsèques suivants :
? Le couplage
électromécanique [k33]
? Les pertes diélectriques [tan  ] : les pertes diélectriques dépendent du type de
matériau piézoélectrique, elles doivent être
minimisées.
? La constante diélectrique [  ] : d'après la loi de Gauss, pour avoir un
champ
électrique important aux bornes du matériau
piézoélectrique, il est nécessaire
d'avoir un
matériau avec une faible permittivité diélectrique.
Cependant, choisir
un matériau avec une faible permittivité
diélectrique implique une faible capacité
électrique
entre les électrodes du piézoélectrique, ce qui posera
problème pour la gestion de l'énergie électrique. Il est
donc nécessaire de trouver le bon compromis entre les différents
effets.
? La raideur des matériaux
piézoélectriques ou le module d'Young   :
un matériau piézoélectrique à
faible raideur aide à obtenir des basses fréquences
de
résonance. Cependant, il faut que la raideur des couches
piézoélectriques ne
soit pas négligeable devant celle
du matériau du substrat utilisé afin que
l'essentiel de
l'énergie mécanique soit bien stockée dans le
matériau
piézoélectrique qui est lui
électriquement couplé.
? Le facteur de qualité (Qm): le facteur de
qualité d'une structure mécanique
dépend de celui de la
partie passive et celui de la partie active de la structure. Il
est donc
important de choisir un matériau piézoélectrique avec le
meilleur
facteur qualité possible en fonction de volume afin de
minimiser au mieux les
pertes mécaniques dans la structure.
Pour le choix du matériau piézoélectrique
nous utiliserons la figure de mérite reprise par Defosseux (Defosseux,
2011)
|
Matériau
|
|
  (10-12 m/V)
|
|
|
|
Quartz
|
4.5
|
0.727
|
-
|
|
|
Soft PZT
|
4100
|
-260
|
2.7
|
6.1
|
|
Hard PZT
|
1350
|
-109
|
0.35
|
25
|
|
PMN-PT
|
4200
|
-930
|
0.4
|
514
|
|
AIN
|
10
|
2.625
|
0.1
|
6.9
|
|
ZnO
|
11
|
5.1
|
|
|
|
PVDF
|
13
|
1
|
-
|
|
Tableau 2-8 : Figures de
mérite de quelques matériaux
piézoélectriques
De ce tableau se démarque clairement les monocristaux
à base de Niobate de plomb et de magnésium PMN-PT, ils sont
toutefois très cher à fabriquer par rapport aux
piézocéramiques. C'est pour cette raison que nous utiliserons les
piézocéramiques de la famille des Hard PZT, en particulier le
PZT-4.
Les dimensions de transducteurs
Figure 20 : Dimensions des
transducteurs utilisés dans le module
Ces données sont issues d'essais en laboratoire
effectués dans les travaux de Jasmin at Wang (Jasim, et al., 2017). La
longueur dans la 3ème dimension est de 32 mm.
|
Notation
|
Valeur [mm]
|
|
Lc
|
32
|
|
tp
|
2
|
|
L0
|
21.5
|
|
ti
|
2.72
|
|
tc
|
0.4
|
|
Li
|
9.72
|
Tableau 2-9 : Dimensions du transducteur
récupérateur
Les propriétés du laiton choisi (laiton
de décolletage)
Sa composition :
Cu : 60 -63 %
Zn : 35.5 %
Pb : 2.5-3.7 %
Fe : Maximum 0.35 %
Les propriétés physiques
Contrainte ultime : 338 - 469 MPa
Limite d'élasticité : 124 - 310 MPa
Elongation à la rupture : 53%
Module d'élasticité : 97 GPa
Coefficient de Poisson : 0.31
Les propriétés physiques du
PZT-4
La masse volumique
La souplesse (compliance)
La constante de charge
La permittivité relative
Avec  
| 
