Brevet FR2554758A1 — publié le 19850517

Procédé de fabrication d'un matériau composite #iézo-e'lectrique La présente invention concerne un matériau composite formé d'une céramique piézo-électrique enrobée dans une matrice diélectrique solide. On connaît depuis longtemps, notamment par le brevet fran- pais n0 1 045 790 des composites piézo-électriques obtenus en couche mince et constitués de fins grains d'une céramique piézo-électrique enrobés et uniformément repartis dans un liant diélectrique homogene constitué d'une résine phénolique thermodurcissable. Ces matériaux ont l'inconvénient d'avoir une faible sensibilité en tension électrique en mode hydrostatique. Pour améliorer cette sensibilité, on a cherché à éviter l'affaiblissement de la constante piézo-électrique de la céramique par la matrice diélectrique dans le sens de l'épaisseur interélectrode en réalisant diverses structures en feuille portant les électrodes de mesure en vis-à-vis sur leurs deux faces opposées et présentant la configuration générale d'une mosaïque de minuscules carreaux de céramique enrobés dans la matrice diélectrique. Les carreaux de céramique sont de l'épaisseur de la feuille et ont soit des formes régulières : prisme, disque, batonnet, soit des formes irrégulières obtenues par brisure d'une lame de céramique piézo-électrique à structure poreuse en forme de squelette de coraux remplie de diélectrique, comme décrit dans le brevet américain n0 4.227.111. Ces structures en feuille ont l'inconvénient d'être difficiles et coûteuses à réaliser. La présente invention a pour but l'obtention à faible coût d'un matériau composite piézo-électrique ayant une bonne sensibilité en tension électrique en mode hydrostatique. Elle a pour objet un procédé de fabrication consistant à - broyer une céramique piézo-électrique en une poudre de granulométrie inférieure à 400 P m, - mélanger la poudre de céramique résultant du broyage avec un liant diélectrique liquide durcissable, - placer le mélange dans un moule pourvu d'orifices de trop plein de liquide, - et mettre le moule entre les plateaux d'une presse exerçant une pression supérieure à 40 bars pendant le durcissement du liant. Le matériau composite obtenu peut être facilement transformé en une sonde piézo-électrique sensible aux pressions hydrostatiques en déposant des électrodes, sous forme de résine conductrice ou de plaques métalliques, sur ses faces entre lesquelles se sont exercées les forces de la presse et en le sensibilisant par application d'un champ électrique parallèle au champ des forces exercées par la presse. La combinaison, au cours de la solidification du matériau composite, de la pression, de la possibilité d'évacuation du trop plein de liant et de la forme générale aciculaire en grains de riz des éclats constituant les particules de céramique piézo-électrique résultant du broyage assure d'une part une orientation générale des particules parallèlement aux surfaces du moule entre lesquelles s'exercent les forces de pression, orientation qui rend maximal l'effet piézo-électrique de l'ensemble des particules parallèlement aux forces de pression et d'autre part un compactage des particules fortement anisotrope en raison de leur faible mobilité due à leur forme anguleuse, compactage plus important dans la direction des forces de pression, où il importe d'avoir des joints diélectriques de faible épaisseur pour ne pas amortir la transmission des efforts mécaniques entre particules piézo-électriques, que perpendiculairement aux forces de pression où un tel amortissement est au contraire le bienvenu. Il en découle une amélioration considérable du rapport entre les constantes piézo-électriques de charge du matériau composite dans la direction des forces de pression exercées au cours de sa solidification et perpendiculairement à celle-ci. Ce rapport qui peut atteindre 6 alors qu'il n'excède pas 2,35 dans le cas des céramiques classiques entrain une augmentation corrélative de la sensibilité en tension électrique en mode hydrostatique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après faite en regard du dessin dans lequel - la figure 1 est un schéma d'une coupe transversale d'un modèle théorique de matériau composite que l'on cherche à approcher, - et les figures 2 et 3 sont des vues en coupe de moules adaptés à la réalisation d'un matériau composite piézo-électrique selon le procédé de l'invention. La sensibilité en tension électrique en mode hydrostatique gh d'un matériau piézo-électrique s'exprime en fonction de la constante piézo-électrique hydrostatique de charge dh et de la constante diélectrique g par la formule dh gh c la constante piézo-électrique hydrostatique de charge dh étant elle-meme reliée aux constantes piézo-électriques axiales d33, d32, d31 référencées par rapport à un trièdre orthogonal dont l'axe 33 est parallèle au champ électrique de sensibilisation et considérées positivement, par la formule : dh :: d33 - d32 - d31 En supposant que la matrice diélectrique n'amortit pas la transmission des forces et des pressions et ne modifie pas leur direction, ces formules montrent qu'il y a intérêt à adopter une structure donnant au matériau composite une constante piézo-électrique axiale de charge d33 maximale et des constantes piézo-électriques axiales de charge d32 et d31 minimales. La figure 1 illustre en coupe un modèle théorique d'une telle structure qui est formée d'empilements, entre deux électrodes planes 10, 20, d'éléments piézo-électriques il en forme de disques plats orientés selon l'axe 33 parallèlement aux électrodes 10, 20 et séparés entre eux par des cloisons de diélectrique 12. Les disques plats piézo-électriques 11 présentent une section de très faibles surfaces dans les directions 32 et 31 limitant le développement de l'effet piézo-électrique dans ces directions. La réalisation d'un tel modèle avec des éléments piézo-électriques de très petites dimensions doit conduire à un coût acceptable. Dans une première approche, certains ont remplacé chaque empilement par un élément piézo-électrique cylindrique, en profitant du fait que la matrice diélectrique amortit et diffuse la transmission des forces et des pressions pour atténuer l'effet piézo-électrique dans les directions perpen diculaires à la direction axiale des éléments cylindriques. Mais la confection des éléments cylindriques et leurs positionnements sont difficiles et rendent toujours la réalisation coûteuse. Le procédé de fabrication suivant permet une autre approche du modèle précédent évitant la nécessité de donner aux éléments piézo-électriques une forme rigoureuse et un positionnement précis. Il consiste à - broyer une céramique piézo-électrique jusqu'à l'obtention d'une granulométrie inférieure à 400 p m avantageusement 250# # m.Les grains obtenus sont, en raison de la structure minérale et en partie cristalline de la céramique piézo-électrique, des éclats concholdaux à contours anguleux et forme aciculaire se rapprochant de celle d'un grain de riz, - mélanger la poudre de céramique obtenue avec un liant diélectrique durcissable tel qu'une résine de polyuréthane présentant une viscosité convenable (entre 3000 et 4500 centipoises), - placer le mélange dans un moule pourvu d'orifices de trop plein de liquide dont la plus petite dimension est de l'ordre de 500# # m, - et mettre le moule entre les plateaux d'une presse exerçant une pression supérieure à 40 bars pendant le durcissement du liant. Il est avantageux que la matière céramique piézo-électrique de départ ait subi une cuisson plus poussée qu'à l'ordinaire afin de favoriser l'apparition de gros cristaux. Le liant diélectrique peut être une matière plastique, (résines au silicone, résines époxydes, résines polyuréthanes, résines polyesters etc...) ou un élastomère (caoutchouc naturel, caoutchouc butyle, néoprène, copolymère divers, caoutchouc silicone etc...). La figure 2 illustre en coupe la forme d'un moule pour la réalisation d'un disque composite piézo-électrique 40 apte à être placé entre les plateaux d'une presse. Ce moule présente une paroi annulaire latérale 41, un fond ajusté 42 et un couvercle 43 muni d'orifices 44 pour l'écoulement du trop plein de liant. Il est placé entre les plateaux 45, 46 d'une presse qui laisse libres les débouchés extérieurs des orifices de trop plein 44. La figure 3 illustre en coupe, une autre forme de moule pour la réalisation d'une couronne composite piézo-électrique 50. Il comporte comme le précédent une paroi annulaire 51 mais il est muni en son centre d'un noyau 52. Son fond 53 et son couvercle 54 sont annulaires et s'emboftent autour du noyau 52. Le couvercle 54 est également pourvu d'orifices 55 pour l'écoulement du trop plein du liant. Le moule est placé entre les plateaux 56, 57 d'une presse dont l'un 56 est creusé de rainures 58 laissant libres les débouchés extérieurs des orifices de trop plein 55. Les orifices de trop plein des moules ont des diamètres de l'ordre de 1100 r m avantageusement 250 r m, la granulométrie étant définie par l'ouverture de maille du tamis. Dans certain cas, par exemple celui de la figure 3, ils peuvent être supprimés et remplacés par un jeu entre le couvercle et les parois latérales. Au cours de l'application de la pression entre le fond et le couvercle des moules, les particules de céramique en forme de grains de riz qui se trouvent en contact avec le fond et le couvercle du moule sont couchées parallèlement aux surfaces du fond et du couvercle et provoquent par contact la meme orientation de la part des particules voisines de sorte que l'on assiste à une stratification des particules dans l'épaisseur du matériau au cours de laquelle la plus grande partie d'entre elles se couchent parallèlement aux surfaces des fond et couver- cle du moule rappelant de ce fait la structure d'empilements de la figure 1.L'effet piézo-électrique n'est pas seulement favorisé dans la direction des forces exercées par la presse par le fait que les particules présentent perpendiculairement à celle-ci leur plus grande section mais également par le fait que le compactage effectué par la presse sur les particules est fortement anisotrope. Beaucoup plus important dans la direction des forces exercées par la presse en raison de la faible mobilité des particules de céramique due à leurs formes anguleuses, il aboutit dans cette direction à des épaisseurs de joints diélectriques beaucoup plus faibles que dans les directions orthogonales.Etant donné que le liant diélectrique amortit la transmission des forces et des pressions, cela favorise la transmission des efforts mécaniques entre particules et par conséquent l'effet piézo-électrique dans la direction des forces exercées par la presse au détrimant des directions orthogonales. Une fois solidifié, le matériau composite est démoulé et pourvu d'électrodes sous forme de résine conductrice ou de plaques métalliques déposées sur des faces entre lesquelles se sont exercées les forces de la presse. Bien évidemment, il peut etre usiné avant le dépôt des électrodes. Il est ensuite polarisé dans un bain d'huile chauffé par application d'un champ électrique intense parallèle au champ des forces exercées par la presse. Les matériaux composites ainsi obtenus présentent un rapport entre constantes piézo-électriques axiales de charge pouvant atteindre 6 au lieu de 2 à 2,5 dans le cas des céramiques classiques et sont de ce fait particulièrement avantageux pour la réalisation de capteurs piézo-électriques excités par des pressions hydrostatiques. On peut, sans sortir du cadre de l'invention modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication d'un matériau composite formé d'une céramique piézo-électrique enrobée dans une matrice diélectrique solide caractérisé en ce qu'il consiste à - broyer une céramique piézo-électrique en une poudre de granulométrie inférieure à 400 m, - mélanger la poudre de céramique résultant du broyage avec un liant diélectrique liquide durcissable, - placer le mélange dans un moule pourvu d'orifices de trop plein de liquide, - et mettre le moule entre les plateaux d'une presse exerçant une pression supérieure à 40 bars pendant la durée de durcissement du liant. 2/ Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre de céramique obtenue par le broyage a une granulométrie de 250 p m. 3/ Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liant diélectrique a, à l'état liquide lors du mélange avec la poudre de céramique, une viscosité comprise entre 3000 et 4500 centipoises. 4/ Moule pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'orifices (44, 55) pour le trop plein de liquide d'un diamètre de l'ordre de 500 r m. 5/ Moule pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un couvercle s'emboîtant avec jeu entre ses parois latérales, ledit Jeu ménageant une lumière entre les parois et le couvercle du moule servant d'orifice de trop plein de liquide.