Caractérisation des matériaux piézoélectriques : Modélisation des pertes aux joints de grains et aux parois de domaines
par Roland Briot
Thèse de doctorat en matiere
Sous la direction de Paul Gonnard.
Soutenue en 1991
à Lyon, INSA , en partenariat avec LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA) (laboratoire) .
mots clés-
Résumé
Les céramiques ferroélectiques sont largement utilisées dans le domaine industriel en conversion électromécanique avec les sonars et les transducteurs de puissance. Les contraintes supportées pas les céramiques impliquent la recherche de matériaux à h ail tes performances avec un coefficient de couplage élevé et des pertes mécaniques et diélectriques faibles même sous haut niveau d'excitation. L'élaboration de nouvelles compositions suppose des méthodes dynamiques de caractérisation adaptées quel que soit le coefficient de surtension mécanique de la céramique et nécessite une étude approfondie des pertes dans le matériau. Nous décrivons une méthodologie de caractérisation dynamique des matériaux avec fortes pertes permettant de déterminer avec précision les paramètres du schéma électriques équivalent. Les modèles unidimensionnels généralement utilisés ne prennent pas en com te la structure polycristalline des céramiques. Nous proposons un modèle permettant de décrire l'évolution des pertes diélectriques et mécaniques des céramiques piézoélectriques avec la fréquence. Ce modèle permet de préciser 1'influence respective des grains, joint de grains et murs de domaines. Sur les pertes élastiques des céramiques. Nous pouvons calculer les résistivités équivalentes des grains joints de grains et murs de domaines lorsque le pourcentage de dopant varie. Le modèle permet de mieux comprendre l'origine des pertes dans les matériaux et l'influence des éléments de substitution sur les propriétés électromécaniques des céramiques piézoélectriques. De simples mesures électriques devraient permettre de mieux connaître les raisons des non-linéarités observées dans les céramiques sous haut niveau d'excitation.
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Titre traduit
= Characterization of piezoelectric materials : Modelization of the losses at the grain boundaries and domain walls
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Résumé
The ferroclectric ceramics are so far used in piezoelectric industrial applications w ith electromechanical energy conversion such as sonars or high power transducers. These applications involve new materials with very high electromechanical coupling factor and very weak mechanical and dielectric losses under low or high electric field level. These new compositions require dynamic characterization for any mechanical quality factor and need a better description of lasses in the material. A new dynamic method for the characterization of materials with high losses is proposed in order to calculate with accuracy the parameters of equivalent electrical circuit. The one dimensional models generally used ignore the polycristalline structure of ceramics. We propose a new model in order to better explain the experimental frequency dependence of conductance, mechanical and dielectric lasses. This new model permits us to describe the rôle of grain, grain boundary and domain wall on elastic losses in piezoceramics. An analysis of the effect of:manganese addition has been achieved by using this model. Equivalent resistivities of grain, grain boundary and domain wall are calculated versus the amount of manganese. The increase of the percentage of manganese leads to an improvement of the grain and grain boundary electromechanical properties, afterwards an excess of manganese damage grain properties. The present mode! ex plains the losses in materials and describes the role of a substitution on the electromechanical properties of piezoceramics. The method is based on eas electrical measurements.
