Brevet FR2522241A1 — publié le 19830826

A 2522241 PROCEDE DE FABRICATION DE TRANSDUCTEURS POLYMERES PIEZOELECTRIQUES PAR FORGEAGE La présente demande de brevet concerne un procédé de fabrication de transducteurs piézoélectriques à partir d'un matériau polymère. Pour établir dans une lame en matériau polymère tel que le poly- fluorure de vinylidène (PVF 2) des propriétés piézoélectriques, il est connu de soumettre cette lame à un étirage important qui vise à convertir une phase solide non polaire en phase solide polaire Lorsqu'une telle lame a été soumise à un étirage selon l'une de ses dimensions et polarisée par un champ électrique de direction perpendiculaire à l'axe d'étirage, elle présente des propriétés piézoélectriques fortement anisotropes On a souvent besoin, pour des dispositifs tels que les microphones piézoélectriques à plaques encas- trées, de lames possédant une symétrie radiale de leurs propriétés piézo- électriques Les lames obtenues par une technique de monoétirage ne sont donc pas les mieux adaptées On peut chercher à réduire l'anisotropie dans le plan de la lame par biétirage Cette méthode consiste à étirer une lame d'abord dans une direction, puis à l'étirer à nouveau dans une direction perpendiculaire à la première en faisant en sorte que l'étirage de la lame soit de même importance dans les deux directions Toutefois, les propriétés piézoélectriques d'une lame biétirée manquent d'uniformité pour des direc- tions comprises entre les deux axes d'étirage, en particulier le module d'YOUNG sera minimum le long des bissectrices des angles formés par les axes d'étirage. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose un procédé de fabrication de lames piézoélectriques par écrasement d'une préforme, cet écrasement assurant un allongement uniforme de la préforme dans toutes les directions. L'inverntion a donc pour objet un procédé de fabrication d'une galette en matériau polymère piézoélectrique ayant par rapport à un axe des propriétés piézoélectriques uniformes lorsqu'elles sont mesurées par rapport à cet axe, ladite galette étant obtenue à partir d'au moins une préforme par augmentation de ses dimensions transversales et par polarisation électrique à l'aide d'un champ dirigé perpendiculairement à ses faces, caractérisé en ce que l'allongement résulte de l'écrasement de ladite préforme entre deux plateaux presseurs dont les faces rigides présentent les mêmes variations d'écartement à égale distance d'un axe d'écrasement. L'invention sera mieux comprise par la description ci-après et les figures l'accompagnant parmi lesquelles: la figure 1 est une vue isométrique d'une laine de matériau polymère; les figures 2 et 3 sont des diagrammes explicatifs; la figure 4 représente un dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; la figure 5 représente une variante d'un dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; -les figures 6 et 7 représentent des étapes différentes d'un procédé de fabrication selon l'invention. La figure 1 est une vue isométrique d'une lame en matériau polymère susceptible d'acquérir des propriétés piézoélectriques On peut utiliser par exemple du polyfluorure de vînylidène (PVF 2) La structure du PVF 2 se compose d'amas cristallins sphéroïdaux contenus dans une phase amorphe et ses propriétés mécaniques macroscopiques sont celles d'un corps isotrope La lame 4 est constituée de PFV 2 en phase a qui est la phase correspondant au produit obtenu à partir du polymère fondu La lame a été choisie de forme carrée afin de faciliter l'interprétation des phénomènes physiques résultant des opérations qu'elle subira On a appelé O le centre géométrique de la lame à partir duquel on a représenté un système d'axes orthonomés suivant les directions 1, 2 et 3 (x'x, y'y, z'z) parallèles aux côtés de la lame La lame est donc un parallélépipède rectangle Un moyen classique d'engendrer un effet piézoélectrique dans le polymère consiste à étirer la lame dans une direction, par exemple suivant l'axe x'x comme l'indique les flèches, et de lui appliquer, simultanément ou non, un champ électrique dans une direction parallèle à l'axe zz' L'allongement consécutif à l'étirage de la lame peut atteindre plusieurs fois la longueur initiale de celle-ci Le système de contraintes mécaniques appliquées provoque une transformation de phase a non polaire, en phase i polaire orientée mécaniquement et électriquement. Pour être efficace, l'allongement doit être irréversible et être de 300 à 700 % Il peut être obtenu à l'aide d'une machine de traction ou par laminage avec fusion et recristallisation Dans ces deux cas, la direction d'étirement présente un module d'YOUNG supérieur à celui mesuré dans les deux autres directions et les propriétés élastiques et piézoélectriques sont alors forte- ment anisotropes Ainsi, le module d'YOUNG Y 1 mesuré suivant l'axe d'étirage x'x peut être le double du module Y 2 mesuré selon l'axe yy' et le coefficient piézoélectrique d 31 égal à dix fois d 32 C'est ce que représente la figure 2 qui est un diagramme projeté sur un plan défini par les directions 1 et 2, la direction 3 étant situé orthogonalement à ce plan La courbe 5 représente la valeur du module d'YOUNG Ye mesuré dans le plan x Oy, pour un angle Q par rapport à la direction d'étirage; on remarque que Y 1 = 2 Y 2. La courbe 6 représente la valeur du coefficient piézoélectrique d 30 pour une direction Q; on remarque que dc 31 = 10 d 32. Comme il a été dit plus haut, il est possible de diminuer l'anisotropie dans le plan du film par biétirage Par exemple, après avoir étiré la lame suivant la direction 1, on peut réaliser un étirage égal suivant la direction 2. Les paramètres mécaniques et piézoélectriques sont alors modifiés comme le montre la figure 3 Ces paramètres sont identiques dans le plan du film selon les deux directions d'étirage Cependant, ils dépendent de la direction comprise entre ces deux axes du plan et représentée par l'angle A On constate que le module d'YOUNG Y" qui décrit la courbe 7, est maximum suivant les axes d'étirement et minimum suivant les bissectrices des angles définis par ces axes Le coefficient piézoélectrique d 3 Q par contre est minimum selon les directions d'étirage et maximum selon les bissectrices des angles définis par ces axes Ces variations relatives selon les directions du plan sont en général inférieures ou égales à 20 % ce qui est acceptable pour beaucoup d'applications o n'interviennent pas les résonances en modes transverses Par ailleurs, des éléments découpés au hasard dans un film biétiré ont des comportements semblables pourvu que les marges du film aient été éliminées. L'inconvénient majeur de la technologie du biétirage est son prix de revient élevé Par ailleurs, les défauts de symétrie radiale dans le plan du film privilégient des modes vibratoires par secteurs de dissymétrie, ce qui entratne des effets de résonance parasites et nuisibles. La méthode de transformation proposée dans la présente demande de brevet consiste en l'écrasement d'une pièce de polymère entre des plateaux presseurs Lors de l'écrasement du polymère, l'écartement entre les plateaux est le même pour tous les points situés sur un cercle centré sur l'axe d'écrasement et situé dans un plan parallèle aux plateaux Le polymère subit un fluage irréversible guidé entre des plans parallèles Ce fluage forcé ou forgeage est effectué dans une gamme de température et de pressions qui diminue l'épaisseur de la pièce forgée dans un rapport compris entre 5 et 15 ce qui se traduit par une augmentation de surface dans le même rapport. Lorsque l'on applique ce procédé à un polymère tel que le PVF 2, ceci conduit à la transition complète de la phase a non polaire à la phase s polaire Un exemple typique de pièce à forger est constitué par une préforme ressemblant à un disque de diamètre 2,5 cm et d'épaisseur 3 mm. Ce disque est placé entre les plateaux d'une presse qui sont portés à une température de 1000 C Après équilibrage des températures, une pression de T/cm 2 est appliquée pendant 5 mn sur le disque Ceci correspond à une vitesse initiale de rapprochement des plateaux d'environ I mm par minute. A la fin de l'opération, l'épaisseur de l'échantillon obtenu est alors d'environ 400 microns Une analyse à l'infrarouge révèle que la transformation de la phase ci à la phase a est complète L'étude de la morphologie du produit obtenu, par diffusion de la lumière aux petits angles indique que les chaînes moléculaires constituant le polymère sont orientées radialement La me- thode consiste à illuminer une petite zone du polymère par un faisceau de lumière polarisée et à observer 'la figure de diffusion obtenue en sortie d'analyseur croisé avec la direction de polarisation du faisceau incident Si le faisceau illumine le centre de l'échantillon, on observe une figure de diffusion en croix caractéristique d'une distribution radiale des directions des chaînes Si le faisceau illumine une zone située en bordure de l'échantil- Ion, la figure de diffusion est au contraire caractéristique d'une distribution anisotropique des chatnes dont la direction principale suit un rayon de l'échantillon. On métallise l'échantillon précédemment obtenu sur ses deux faces par évaporation d'aluminium; ces métallisations sont des couches de 1000 A environ d'épaisseur L'échantillon métallisé est alors porté à la température de 80 C et est polarisé sous une tension de 10 k V ce qui correspond à un champ électrique appliqué de 250 k V/cm Le champ électrique est appliqué pendant 30 mn puis la température est ramenée à la température ambiante au cours d'une période de temps de 30 mn également Le champ électrique reste appliqué pendant la descente en température Le coefficient piézo- électrique d 33 mesuré est d'environ 6 p C N-l, valeur relativement faible explicable par la faible valeur du champ électrique appliqué. La polarisation à saturation (P = 6 10-2 C m 2) aurait été obtenue pour un champ électrique de 1,5 MV/cm pour les mêmes contraintes exercées sur le précédent échantillon; le coefficient piézoélectrique d 33 aurait atteint dans ces conditions environ 25 p C N-1 ce qui implique une tension de polarisation de l'ordre de 60 k V difficile à appliquer pratiquement pour des raisons de claquage par contournement Aussi il est préférable dans le procédé de fabrication d'associer le forgeage à une polarisation électrique au cours de la déformation du polymère En effet, des champs électriques relativement faibles (environ 500 k V/cm) appliqués au cours de la transition de la phase a à la phase e pour un polymère PVF 2 contribuent à l'obtention de la phase e orientée électriquement Cet effet s'explique par le fait que la transition s'accompagne d'une fusion du polymère en phase a suivie d'une recristallisation en phase $ dans le double champ des contraintes mécani- ques et électriques Cette technique appliquée au cas du PVF 2 s'est avérée particulièrement efficace puisque des coefficients d 33 de l'ordre de 20 à 22 p C N-1 ont été obtenus, indiquant lapproche de la saturation de la polarisation. Une façon de procéder est illustrée par la figure 4 qui représente un dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé de fabrication d'une galette piézoélectrique selon l'invention Sur cette figure, on peut voir deux plateaux presseurs 9 et 10 reliés à la masse et capables de chauffer une préforme par le passage d'un courant électrique dans des résistances chauffantes 11 Une préforme polymère 14, en forme de cylindre, par exemple en PVF 2 est placée entre les plateaux presseurs Avant le pressage on intercale, par exemple entre le plateau supérieur 9 et le disque 14 un diélectrique 12 Ce diélectrique est par exemple une plaque de verre époxy. Il est recouvert d'une métallisation 13 en contact avec le polymère 14. Cette métallisation peut consister en une couche de cuivre Ce diélectrique présentant une face cuivrée est donc du type utilisé pour la gravure de circuits imprimés La couche métallique 13 est reliée à un pôle d'une source de haute tension 15 dont l'autre pôle est Telié à la masse Les conditions de température et de pressage sont les mêmes que précédemment et une tension V = 5 k V est appliquée Avec cette méthode, la tension applicable entre la métallisation 13 et le plateau inférieur de la presse est de 30 k V par centimètre de couche d'air sinon on court le risque de produire des amorçages dans la couche d'air comprise entre le plateau inférieur et la partie non masquée de l'électrode 13 au cours du pressage Cette tension s'avère insuffisante pour polariser le polymère à saturation Toutefois, l'écrasement du polymère étant réalisé, la couche d'air comprise entre lélectrode 13 et le plateau 10 peut se combler du fait de l'augmentation de surface du cylindre de polymère Celui-ci peut alors occuper toute la surface de l'électrode 13 et l'on peut alors augmenter la tension de polarisation à des valeurs supérieures à la tension d'amorçage d'une couche d'air d'égale épaisseur. Cette façon de procéder revient en partie au cas de la polarisation après déformation qui est moins efficace que la méthode consistant à déformer et à polariser simultanément un polymère Une solution meilleure consiste à disposer d'une électrode de polarisation susceptible de fluer en même temps que le cylindre de polymère et dans le même rapport Il est particulièrement avantageux dans ce cas de fabriquer deux galettes piézo- électriques au cours de la même opération en intercalant l'électrode de polarisation entre les deux préformes de polymère à travailler Cette méthode est représentée par la figure 5 o l'on voit un dispositif de pressage et de polarisation électrique simultanés. Sur cette figure on distingue la même machine de pressage que celle représentée à la figure 4 et constituée principalement de deux plateaux presseurs 9 et 10 ayant des faces rigides conductrices mises au potentiel de la masse Ces plateaux sont chauffés par un dispositif de résistances chauffantes 11 Les préformes de polymère à travailler 16 et 17 se présentent par exemple sous forme de cylindres et ont chacune lune de leurs faces en contact avec l'un des plateaux Elles sont séparées par une électrode 18 susceptible de fluer sous l'effet de la pression exercée par les plateaux 9 et 10 L'électrode 18 est réalisée en polymère rendu conducteur par l'incorporation de particules conductrices Ces particules peuvent être du noir de carbone conducteur représentant environ 20 % du volume de l'électrode Un générateur de tension continue 15 est branché entre l'élec- trode 18 et les plateaux En choisissant pour l'électrode 18 un polymère qui se déforme de manière identique aux cylindres à forger on évitera les court- circuits possibles entre cette électrode et l'un des plateaux, de même qu'un retrait de l'électrode de polarisation par rapport aux échantillons, lors du pressage Une solution simple consiste à choisir le polymère constituant l'électrode de même nature que celui des cylindres, par exemple en PVF 2. Dans les mêmes conditions opératoires que précédemment et pour une tension appliquée de 25 k V durant toute l'opération, on obtient un coef- ficient piézoélectrique d'environ 22 p C N_ 1 homogène dans le plan des deux galettes piézoélectriques obtenues L'analyse du taux d'alignement dipolaire en phase i révèle que celui-ci atteint 85 % soit une valeur proche de la saturation. Ce procédé de transformation du polymère PVF 2 en phase e se prête particulièrement bien à l'obtention rapide et économique de plaques circu- laires à distribution radiale des chaines, tout à fait aptes au fonctionnement de transducteurs à symétrie de révolution tels que les microphones piézo- électriques à plaques encastrées décrits dans la demande de brevet de la demanderesse n 81 15 506 et déposée le 11 Août 1981 Il permet aussi la production de bimorphes à symétrie radiale; l'électrode intermédiaire déformable est alors obtenue selon le procédé décrit dans la demande de brevet de la demanderesse ne 81 24 564 déposée le 31 Décembre 1981 et qui permet à la fois le collage de deux lames polymères entre elles et leur polarisation simultanée. Ce procédé peut être étendu à l'obtention de formes non planes, telles que des calottes sphériques ou des surfaces cannelées, imposées par deux moules complémentaires, l'un en relief et l'autre en creux Dans ce cas, il est possible de partir de cylindres plans Les figures 6 et 7 représentent des étapes différentes du procédé de fabrication La figure 6 représente la phase initiale du procédé Les cylindres de polymère 22 et 23 sont plans, leurs axes de révolution sont confondus avec l'axe d'écrasement et séparés par l'élec- trode intermédiaire 24 qui est reliée à une borne du générateur de tension continue 15 L'autre borne du générateur est au même potentiel que les plateaux 19 et 20 Ceux-ci ont des formes complémentaires destinées à fournir dans l'exemple des figures 6 et 7 des objets en forme de calottes sphériques Comme précédemment ces plateaux peuvent être chauffés par des résistances chauffantes 21 Le pressage de l'empilement réalisé par les cylindres 22 et 23 et l'électrode 24, qu'il est avantageux de choisir en forme de disque, et la polarisation simultanée assurés dans des conditions compa- rables aux précédentes réalisations permettent d'obtenir des produits en forme de calotte tels que ceux représentés à la figure 7. Il entre également dans le cadre de l'invention de réaliser des transducteurs piézoélectriques à partir d'un empilement de plus de deux préformes de polymère -séparées par des électrodes de polarisation Ces électrodes peuvent ou non assurer le collage entre deux galettes suivant les besoins Il convient alors de faire de sorte que la température à laquellle sont portées les cylindres de polymère soit uniforme dans tous les niveaux de l'empilement. L'invention s'applique particulièrement bien aux polymères polaires tels que le polyfluorure de vinylidène (PVF 2), ses copolymères avec le polytétrafluorure d'éthylène (PTFE), le polytrifluorure d'éthylène (P Tr FE) et les alliages avec le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) Elle permet aussi la fabrication de transducteurs polymères bimorphes Elle permet d'obtenir des dispositifs ayant une forme plane ou incurvée. Afin d'assurer à ces polymères piézoélectriques la stabilité dimension- nelle dans le temps et pour des températures plus élevées que celles auxquelles ils ont été élaborés, ainsi que pour garantir un comportement stable de l'activité piézoélectrique, ils peuvent être recuits sous presse, à une température comprise entre 100 et 1101 C et pendant une durée variable de 20 mn à 1 heure Le retrait subséquent est de l'ordre de quelques pour cent et l'activité piézoélectrique baisse de 10 à 30 %, mais la stabilité est alors assurée jusqu'à une température de fonctionnement voisine de celle de recuit. L'invention concerne tous les domaines d'application de la piézo- électricité et de la pyroélectricité, en particulier les dispositifs électro- acoustiques et les transducteurs bimorphes. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une galette en matériau polymère piézo- électrique ayant par rapport à un axe des propriétés piézoélectriques uniformes lorsqu'elles sont mesurées par rapport à cet axe, ladite galette étant obtenue à partir d'au moins une préforme par augmentation de ses dimensions transversales et par polarisation électrique à l'aide d'un champ dirigé perpendiculairement à ses faces, caractérisé en ce que l'allongement résulte de l'écrasement de ladite préforme entre deux plateaux presseurs dont les faces rigides présentent les mêmes variations d'écartement à égale distance d'un axe d'écrasement. 2 Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit écrasement est réalisé à chaud. 3 Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit écrasement et la polarisation électrique sont réalisés simultanément. 4 Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que ladite préforme a l'aspect d'un cylindre dont l'axe est situé dans laxe d'écrasement. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite polarisation est appliquée à ladite préforme par rintermédiaire d'au moins une électrode de polarisation ( 13). 6 Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite électrode est susceptible de fluer au cours dudit écrasement en gardant ses propriétés électriques. 7 Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que plusieurs galettes polymères piézoélectriques sont réalisées au cours de la même opération à partir d'autant de préformes ( 16, 17) séparées Pune de l'autre par une électrode de polarisation ( 18). 8 Procédé de fabrication selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ladite électrode de polarisation est destinée à constituer lélectrode intermédiaire d'un transducteur bimorphe en servant de liant entre deux lames de polymère. i 9 Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits plateaux presseurs ( 19, 20) assure une mise en forme de ladite galette. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite galette a subi un recuit assurant sa stabilisation dimensionnelle dans le temps. 11 Transducteur piézoélectrique réalisé par un procédé de fabrication selon lune quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit matériau polymère est consituté par du polyfluorure de vinylidène.