Caractérisation des propriétés électro-acoustiques de structures piézoélectriques soumises à une contrainte statique de type électrique ou mécanique

Caracterization of electro-acoustic properties of piezoelectric structures submitted to static electrical or mechanical stress

• Auteur / Autrice : Mathieu Domenjoud
• Direction : Louis-pascal Tran-huu-hue, Mickael Lematre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique, spécialité Acoustique
• Date : Soutenance le 28/11/2012
• Etablissement(s) : Tours en cotutelle avec Universidade de São Paulo (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire GREMAN (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Jean Marc Conoir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mickael Lematre, Guy Feuillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Duquennoy, Corinne Dejous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hystérésis

Ferroélasticité

Céramique

Contraintes (mécanique)

Piézoélectricité

Mots clés libres

Précontrainte mécanique

Précontrainte électrique

Piézocéramique

Hystérésis

Piézocéramiques dure et molle

Ferroélastique

Piezoelectric

Mechanical pre-stress

Electrical pre-stress

Hysteretic

Hard and soft piezoceramics

Ferroelastic

Résumé

Utilisés dans de nombreux domaines, les matériaux piézoélectriques sont régulièrement soumis à des sollicitations externes ou internes qui modifient leurs propriétés. Dans le but de prévoir et d’anticiper ces altérations, ce travail étudie les propriétés de matériaux piézoélectriques soumis à une contrainte statique de type mécanique ou électrique. Dans un premier temps, nous développons les équations du mouvement d’un matériau piézoélectrique (non hystérétique) au second ordre, en tenant compte des déformations dynamiques, mais aussi statiques. L’étude numérique des vitesses et du coefficient de couplage est faite sur le niobate de lithium, dans différents plans de coupe et différents systèmes de coordonnées afin d’évaluer dans quelles configurations l’application d’une contrainte externe électrique ou mécanique améliore ou dégrade les propriétés du matériau. Nous caractérisons ensuite les comportements hystérétiques de piézocéramiques sous contraintes en modélisant l’évolution des polarisations et déformations rémanentes microscopiques via les mouvements de murs de domaines. La comparaison des résultats numériques avec des évolutions de 4 piézocéramiques nous permet de définir le domaine de validation de nos hypothèses et d’expliciter les comportements hystérétiques de piézocéramiques. Dans une dernière partie, nous mettons en place un dispositif expérimental de mesure de déformations et du déplacement électrique de structures piézoélectriques sous contrainte mécanique. Ces résultats nous permettent de dimensionner notre étude sur le niobate de lithium et apportent une meilleure compréhension de l’évolution des déformations transversales dans les piézocéramiques.

Used in many domains, piezoelectric materials are frequently submitted to external or internaI stresses which modify their properties. In order to prevent and anticipate these modifications, this work studies the properties of piezoelectric materials under static electrical or mechanical stress. First, the motion equations of a piezoelectric (non hysteretic) rnaterial are developed at the second order taking to account the static strain and the dynamic ones. The numerical study of plane wave velocities and coupling coefficients is performed on lithium niobate, in different cuts and different coordinate systems. Then, we evaluate in which configurations the application of an electrical or mechanical stress improves or degrades the material properties. In a second part, the hysteretic behaviours of piezocerarnic materials under electrical and mechanical stresses are characterized by modelling the evolutions of microscopic remanent polarization and strains through the movements of domain walls. Numerical results are compared to evolutions of 4 piezoceramics and allow us to define the validation domain of our hypothesis and to explain hysteretic behaviours of soft and hard piezoceramics. In the last part, an experimental device to measure strains and electrical displacements under mechanical stress is developped. Results allow study on lithium niobate to be planned and bring a better understanding of transversal strain evolutions in piezoceramics.