Elaboration et études des propriétés physico-chimiques de matériaux composites polymère/métal et piezoélectrique/alumine : extraction, structures et rôle sur l'environnement

Elaboration and study of the physical and chemical properties of polymer/metal and piezoelectric/alumina composites : application to detection from a non homogenous environnement

• Auteur / Autrice : Emmanuel Thommerel
• Direction : Jean-Raymond Gavarri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Toulon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université du Sud Toulon-Var. UFR de Sciences et Techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de résonance cyclotronique ionique

Spectroscopie d'impédance

Percolation (physique statistique)

Industrie et commerce

Composites

Composites polymères

Résumé

De nouveaux systèmes de transducteurs (marqueurs piézo-électro-magnétiques ou PEM) pour détection à distance ont été mis en oeuvre. Ils sont constitués de deux parties distinctes : (a) un capteur piézoélectrique à base de céramique (Pb. La)(Zr. Ti)O3 (ou PLZT) et (b) une antenne élaborée à partir de matériaux composites métal/polymère. Dans un premier temps, l'étude physico-chimique d'antennes réalisées à partir de composites granulaires métal / polymère a été effectuée. Ces antennes peuvent être élaborées par gravure mécanique de supports composites dont la composition métallique est proche de la composition de percolation électrique. Plusieurs séries de composites ont été élaborées: le composant polymère est le sulfure de polyphénylène -PPS- et les phases granulaires métalliques sont successivement Al, Fe, Ni, W, Zn. Des analyses par spectroscopîe d'impédance complexe électrique ont été effectuées sur chaque composite dans toute la gamme de fraction volumique de métal (de 0 à 1). Les réponses électriques (composantes R, L et C fonction de la fraction volumique en métal) ont été modélisées en faisant appel à l'approximation du milieu effectif (AME): une approche nouvelle prenant en compte la diversité des distributions granulome triques a été développée. Cette approche permet de relier étroitement les réponses électriques aux distributions et tailles de grains métalliques. La théorie de la percolation a été de même mise enjeu. Des exposants critiques (s et t) issus des lois en puissance ont été déterminés pour chaque famille de composites, afin d'interpréter les valeurs de conductance, au-dessous (loi en (<t>c-<E')~s) puis au-dessus (loi en («S-Oc )') du point de percolation (fraction volumique <E>C). Afin d'évaluer la tenue à la corrosion en milieu acide, une étude de la corrosion en fonction du temps de ces systèmes a été effectuée. Le modèle de percolation a été appliqué : du fait de la corrosion, les exposants critiques évoluent en fonction du temps. Dans une seconde étape, une étude de céramiques pié/o-électriques élaborées à partir de composites (PLZT) / alumine a été réalisée. Le rôle de l'alumine est de moduler les caractéristiques piézoélectriques afin de permettre une certaine sélectivité en fréquence des marqueurs. Les composites polarisés ont été caractérisés par diffraction de rayons X, par microscopies électroniques à balayage et en transmission. Des mesures électriques par spectroscopie d'impédance complexe ont permis de caractériser les comportements au voisinage des fréquences de résonance de systèmes céramiques/ électrodes. L'augmentation de la teneur en alumine induit une diminution de fréquence de résonance et un affaiblissement de l'amplitude de résonance. La modélisation par un circuit électrique RLC équivalent a permis d'attribuer ies modifications des réponses piézoélectriques (fréquence et amplitude de résonance) aux modifications de la phase piézoélectrique PLZT et de la micro structure de la céramique, induites par la présence de phase d'alumine insérée dans la céramique. L'accroissement de la résistance R est ainsi clairement attribué à la dégradation des phases piézoélectriques. L'augmentation de la capacitance C est liée à la diminution des constantes élastiques, diminution induite par des joints de grains plus faibles. L'inductance L associée aux masses moyennes du système reste pratiquement invariante compte-tenu de la teneur limitée en alumine. Enfin une application industrielle est présentée.

New transducer systems (plezoelectro magnetic or PEM) for deteetion from a distance have been implemented. They are made of two distinct parts: (a) a ceramic-based piezoelectric sensor (Pb, La)(Zr, Ti)03 (or PLZT), and (b) an antenna made of metal/polymer composites. The first step was to carry out the physico-chemical study of antennas made of granular metal/polymer. These antennas can be elaborated using mechanical engraving of composite stands which have a similar metal composition to that of electric percolation. Several series of composites were elaborated: the polymer component is polypheovlene sulphur -PPS- and metallic granular phases are successively Al, Fe, Ni, W, Zn. Each composite in the whole range of metal volume fraction (from 0 to 1) was tested by electrical complex spectrometry. The electric responses (R. L and C components function of metal volume fraction) were modelled by resorting to medium effective approximation (MEA): a new approach taking into account the diversity of size distribution was developed. This approach makes it possible to closely link electric responses to the distributions and sizes of metallic grains. The percolation theory was also used. Critical exponents (s and t) stemming from laws in power were determined for each composite family, so as to interpret the conductance values, under (law in (-3>}'!) and over (law in (<J>-<T>C)') the percolation point (volume fraction <&cl. In order to assess the resistance to corrosion in an acid environment, a corrosion study according to the time of these systems was carried out. The percolation model was put into practice: because of corrosion, critical exponents evolve according to time. The second step was to carry out a study of piezo electric ceramics elaborated from composites (PLZT)/alumina. The role of alumina is to modulate the piezoelectric characteristics so as to permit a certain frequency discrimination of the markers. Polarised composites were characterised by X rays diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Electric measures by electrical complex made it possible to characterize the performance to the neighbourhood of ceramic/electrode systems resonance frequency. The increase in alumina content results in a decrease of resonance frequency and a weakening of resonance amplitude. Modelling through an equivalent electric circuit RLC has made it possible to ascribe the modifications of piezoelectric responses (frequency and resonance amplitude) to the modifications of the piezoelectric phase PLZT and the ceramic micro structure, resulting from a presence of an alumina phase inserted in the ceramic. The growth of the R resistance is thus clearly attributed to the degradation of me piezoelectric phases. The increase of C capacity is linked to the reduction of elastic constants. This reduction is induced by weaker grain boundaries. The L inductance associated with medium masses of the system stays practically unchanged considering the limited content in alumina.