Brevet FR2501916A1 — publié le 19820917

t501916 La présente invention concerne un maté- riau composite piézoélectrique et son procédé de fa- brication. Elle s'applique en particulier dans le domaine des ultrasons notamment utilisés pour le nettoyage de surface, le contrôle des soudures, et l'échométrie médicale et dans le domaine de l'allu- mage par étincelle. Ces techniques mettent en oeuvre des matériaux diélectriques en général polycristal- lins, présentant une polarisation spontanée dépen- dant de la température. Actuellement, les matériaux piézoélectriques connus sont d'une part, les cérami- ques ferroélectriques telles que les céramiques du type zirconate-titanate de plomb connu sous l'abré- viation de PZT, et d'autre part, les matériaux à structure composite ferroélectriques et les polymè- res ferroélectriques. Les céramiques ferroélectriques sont constituées de grains ou cristallites ferroélectri- ques, présentant une polarisation spontanée, liés entre eux par frittage à haute température. Aucun matériau de liaison n'est nécessaire, sauf éventuel- lement, en très petite quantité. L'orientation des cristallites est rendue possible, après coup, en ap- pliquant un champ électrique sur la céramique, après l'élaboration de celle-ci, provoquant le bascule- ment de la polarisation spontanée de chaque cristal- lite vers la direction la plus voisine de celle du champ électrique appliqué. En général, il n'y a pas de rotation du grain ferroélectrique mais seulement orientation d'un degré de liberté interne du motif cristallin, constituant la structure microscopique des céramiques. Les matériaux ferroélectriques à structu- re composite sont constitués de grains ou cristalli- tes ferroélectriques noyés dans un liant organique. L'orientation des cristallites procède de la même méthode que pour les céramiques ferroélectriques, avec, en plus, l'inconvénient causé par la présence du liant qui contribue à diminuer le champ effectif agissant sur les grains ferroélectriques. Le principal inconvénient des céramiques ferroélectriques et des matériaux ferroélectriques à structure composite est une ccnséquence de leur nature ferroélectrique. En efzet, ils se dépolari- sent facilement sous l'action de contraintes exté- rieures diverses telles qu'une température élevée, des champs électriques parasites, des contraintes mécaniques, etc... En particulier, cet inconvenient qui se traduit par une perte des propriétés piézcélectri- ques est notable dans les applications suivantes: - générateur haute tension par exemple po-rr l'allu- mage par étincelle, - générateur d'ultrasons de puissance par exemple pour le nettoyage de surfaces et les sonars. Pour les mêmes raisons, le phénomène de dépolarisation spontanée de ces matériaux se traduit par un vieillissement prématurée de aractéristi-' ques-physiques desdits matériaux, Certains polymères tels que le difluorure de polyvinyle connu sous l'abréviation de PVdF peu- vent se préparer sous forme de couches minces mon- trant des propriétés piézoé!ectriques. Le traite- ment consiste à étirer la feuille de polymàre et à la soumettre à un champ électrique. Ces matériaux qui ne peuvent donc pas être élaborés sous forme d'échantillons massifs, ne peuvent pas être utilisés dans de- nombreuses applications et essentiellement dans le domaine des ultrasons l basse fréquence. La présente invention a justement pour objet des matériaux composites piézoélectriques permettant de remédier à ces inconvénients. De façon plus précise, l'invention a pour objet des matériaux composites piézoélectriques comprenant des grains ou cristallites pyroélectri- ques, non ferroélectriques, noyés dans une matrice, en général électriement isolante, et dont tous les axes polaires sont orientésparafllment à une direction donnée. Ces matériaux comportant des grains pyro- électriques, c'est-à-dire à symétrie polaire, ne possèdent pas les inconvénients mentionnés plus haut, et en particulier, ils sont insensibles aux effets de dépolarisation puisqu'ils ne présentent pas de domaines ferroélectriques et peuvent être fa- briqués sous forme d'échantillons massifs. De préférence, la matrice est soit en une matière plastique, soit en céramique. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication des matériaux composites tels que dé- crits précédemment. Contrairement à la fabrication des maté- riaux de l'art antérieur, l'orientation des grains ou cristallites se fait au cours de l'élaboration desdits matériaux et non après l'élaboration de ceux-ci. Selon une première variante, le procédé de fabrication d'un matériau composite piézoélectrique se caractérise en ce que: - on dispose des grains pyroélectriques non ferro- électriques, présentant un moment dipolaire sui- vant leur axe polaire, dans un matériau liquide isolant: - on applique au matériauiquideisolantunchampélectri- que permettant d'orienter tous les moments dipo- laires des grains suivant une direction don- née; et - on solidifie ledit matériau isolant en maintenant le champ électrique. Selon une deuxième variante, le procédé de fabrication d'un matériau composite piézoélectrique se caractérise en ce que: - on dispose des grains pyroélectriques, non ferro- électriques, présentant un moment dipolaire sui- vant leur axe polaire, dans un matériau pulvéru- lent isolant; - on applique au matériau pulvérulent isolant un champ électrique permettant d'orienter tous les moments dipolaires des grains suivant une direc- tion donnée; - on rend compact le matériau isolant en maintenant le champ électrique, par exemple en le comprimantet en le consolidant thermiquement. De préférence, dans cette deuxième va- riante, on utilise un matériau pulvérulent de granu- lométrie nettement plus fine que celle des grains pyroélectriques. Dans ce -procédé de fabrication et selon l'une ou l'autre variante, on peut modifier le mo- ment dipolaire des grains pyroélectriques, par exem- ple au moyen d'une brusque élévation de température apparaissant lorsque lesdits grains, tombant dans le matériau isolant porté à une température supérieure à la température ambiante, prennent contact avec le- dit matériau isolant, ou en appliquant au matériau isolant, contenant lesdits grains, une variation ra- pide de la pression. Dans le cas o la modification du moment polaire se fait par variation rapide de la pression, ladite variation de pression peut être variable se- lon les points du matériau isolant de façon que l'orientation des grains soit variable selon ces points. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, sur lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement, selon une première variante, le procédé de fabrica- tion d'un matériau composite piézoélectrique selon l'invention, et - la figure 2 représente schématiquement, selon une deuxième variante, le procédé de fabrica- tion d'un matériau composite piézoélectrique selon l'invention. Selon l'invention, les matériaux composi- tes piézoélectriques sont constitués de grains ou cristallites pyroélectriques, non ferroélectriques, c'est-à-dire à symétrie polaire, noyés dans une ma- trice isolante, réalisée par exemple en céramique ou en matière plastique, et dont tous les axes polaires sont orientés parallèlement à une direction donnée. De tels matériaux composites présentent une symétrie macroscopique qui est aussi polaire. Ces matériaux composites sont donc pyroélectriques et par consé- quent piézoélectriques. Comme matière plastique entrant dans la constitution de ces matériaux composites on peut utiliser des résines au silicone, des résines époxy- des comme par exemple des résines commercialisées sous le nom d'araldite, des phénoplastes, des polyu- réthanes, des polyesters insaturés polymérisés avec du styrène, etc... Sur la figure 1, on a représenté, selon une première variante, un procédé de fabrication d'un matériau composite piézoélectrique tel que dé- crit précédemment. Dans un récipient 2 contenant un matériau isolant 4 sous forme liquide, on fait tomber au moyen d'un distributeur 6 des grains ou cristallites pyroélectriques 8, non ferroélectriques. Au moyen d'électrodes 10 situées sur deux côtés opposés du récipient 2, on applique au matériau isolant ou bain un champ électrique, par exemple uniforme. Le maté- riau isolant 4 étant porté une température supé- rieure à la température ambiante et par exemple in- férieure à 1000C pour l'araldite, les grains pyroé- lectriques prenant contact aviec le matériau isolant chaud voient leur température séle-zer brusquement, entraînant une modification sur chacun d'eux de leur moment électrique dipolaire effectif selon leur axe polaire. Le champ électrique appliqué au matériau isolant permet d'orienter tous les moments dipolai- res parallèlement à la direction choisie. Après un remplissage suffisant du bain, on solidifie le maté- riau isolant en maintenant le champ électrique. Ccmme matériaux isolants on peut utiliser des résines thermodurcissables et par exemple des résines époxydes telles que l'araldite durcissant entre 130 et 200 C au moyen d'un durcasseur mis au préalable dans le bain. Il est à noter que le durcissement de la résine au moyen d'un durcisseur est une réaction gé- néralement lente dépendant de la quantité de durcis- seur mise dans le bain, de la température du bain et de la nature même de la résine. De plus, le durcis- sement de certaines résines (polyeste=s plus styrène par exemple) étant exothermique il n'est pas tou- jours nécessaire de chauffer le bain. A la place d'un matériau isolant liquide, on peut utiliser un matériau se présentant sous for- me de poudre finement divisée, ce matériau étant par exemple en céramique. Dans ce cas, la dernière étape du procédé de fabrication d'un matériau composite piézoélectrique consiste à comprimer le matériau isolant puis à consolider ledit matériau par un traitement thermique approprié et ce en présence du champ électrique. Sur la figure 2, on a représenté, selon une deuxième variante, un procédé de fabrication d'un matériau composite piézoélectrique tel que dé- crit précédemment. Dans cette variante, le matériau isolant 4 contenant les grains ou cristallites pyro- électriques 8 est soumis à un champ électrique par exemple sinusoïdal. Le moment dipolaire effectif se- lon l'axe polaire des cristallites est modifié en appliquant au matériau isolant, liquide ou pulvéru- lent, au moyen d'un piston isolant 12 une pression variable. Pour s'affranchir des mauvais isolements du matériau isolant la variation de la pression pourra suivre une loi sinusoïdale, à fréquence aussi élevée que nécessaire, loi qui sera en phase avec le champ électrique appliqué si celui-ci est sinusol- dal. Sur cette figure, on a aussi représenté des cristallites pyroélectriques 8 dont les moments dipolaires 14 suivant leur axe polaire sont tous orientés parallèlement à une direction donnée, di- rection imposée par le champ électrique. Il est à noter que l'application d'une pression distribuée suivant une certaine loi asso- ciée à un champ électrique uniforme permet de créer dans le matériau composite piézoélectrique une ré- partition d'orientation des moments dipolaires sui- vant ladite loi. Ceci permet en particulier de faire de l'enregistrement d'hologramme acoustique. REVENDICATIONS 1. Matériau composite piézoélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend des grains pyro- électriques orientés parallèlement à une direction donnée. 2. Matériau piézoélectrique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que la matrice est en matière plastique. 3. Matériau piézoélectrique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que la matrice est en céramique. 4. Procédé de fabrication d'un matériau composite piézoélectrique, caractérisé en ce que: - on dispose des grains pyroélectriques (8), non ferroélectriques, présentant un moment dipolaire suivant leur axe polaire, dans un matériau liquide isolant (4); - on applique au matériau liquide isolant un champ électrique permettant d'orienter tous les moments dipolaires des grains suivant une direction don- née; et - on solidifie ledit matériau isolant (4) en mainte- nant le champ électrique. 5. Procédé de fabrication selon-la reven- dication 4, caractérisé en ce que le matériau iso- lant est une résine thermodurcissable. 6. Procédé de fabrication selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que la résine est une résine époxyde. 7. Procédé de fabrication d'un matériau composite piézoélectrique, caractérisé en ce que: - on dispose des grains pyroélectriques (8), non ferroélectriques, présentant un moment dipolaire suivant leur axe polaire, dans un.matéiiau (4) pulvérulent isolant, - on applique au matériau pulvérulent isolant un champ électrique permettant d'orienter le moment dipolaire de chacun des grains (8) suivant une di- rection donnée; et - on rend compact le matériau isolant (4) en mainte- nant le champ électrique. 8. Procédé de fabrication selon la reven- dication 7, caractérisé en ce que le matériau iso- lant est une céramique. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'on modifie le moment dipolaire des grains pyroélectriques (8) au moyen d'une brusque élévation de température apparaissant lorsque lesdits grains, tombant dans le matériau isolant (4) porté à une température supérieure à la température ambiante, prennent contact avec ledit matériau isolant. 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'on modifie le moment dipolaire des grains pyroélectriques (8) en appliquant au matériau iso- lant (4), contenant lesdits grains, une variation rapide de la pression. 11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendication 4 à 10, caractérisé en ce que le champ électrique appliqués au matériau isolant est uniforme. 12. Procédé de fabrication selon la reven- dication 11, caractérisé en ce que la pression et le champ électrique appliqués au matériau isolant sont sinusoïdaux et en phase. 13. Procédé de fabrication selon les re- vendications 7 et 10, caractérisé en ce que ladite variation de pression est variable selon les points du matériau isolant de façon à ce que l'orientation des grains soit variable selon ces points.