Dispositifs ultrasonores existants à haute température et leurs limites
Le contrôle non destructif par ultrason nécessite de pouvoir à la fois générer et capter des ultrasons. Les ultrasons se décomposent en trois domaines : les basses fréquences (20 kHz – 100 kHz), les hautes fréquences (100 kHz – 1 MHz) et les trés hautes fréquences (1 MHz – 10 MHz). Les transducteurs ultrasons conventionnels utilisent un élément piézoélectrique collé à une masse. Le contact se fait le plus souvent par l’intermédiaire d’un matériau tiers qui sert d’interface entre le transducteur et la pièce à tester. Ce mémoire s’intéresse à des hautes températures allant de 500°C à 1000°C. En effet, le contrôle non destructif à haute température permet de détecter des défauts sans nécessairement arrêter le système à tester. Il est aussi possible de laisser le dispositif de contrôle sur la structure à tester afin de visualiser en continu les défauts. Cela permet des économies de temps et d’argent ainsi qu’une meilleure gestion de la maintenance. Malheureusement, les matériaux conventionnels utilisés perdent leur propriété piézoélectrique au-dessus de 200°C. Des études menées pour développer de nouveaux matériaux piézoélectriques à haute température ont abouti sur des matériaux tels que le titanate de bismuth (Burrows et al., 2012).
Malheureusement, il perd sa piézoélectricité au-dessus de 500°C. D’autres dispositifs permettent de contourner cette limite intrinsèque du matériau. Une première méthode consiste à ajouter des guides d’onde afin d’éloigner le transducteur de la surface chaude (Cegla et al., 2011). Ce système a deux inconvénients : l’encombrement et la température maximale d’utilisation. En effet, les guides d’onde ont pour rôle de dissiper la chaleur tout en transmettant les ondes. Cela requiert un encombrement important. De plus, la température maximale de la surface à tester est de 600°C. D’autres méthodes s’affranchissent des matériaux piézoélectriques telles que les lasers ou les transducteurs acoustiques électromagnétiques (Kažys, Voleišis et Voleišienė, 2008). Ces dernières ne nécessitent pas de contact direct avec la structure à tester ce qui permet des utilisations sur des surfaces à très haute température (Burrows, Fan et Dixon, 2014). Néanmoins, les appareils de mesure doivent rester à des températures modérées ce qui suppose des zones à basse température à proximité de l’élément à tester. De plus, l’encombrement et le coût sont importants. Les matériaux piézoélectriques à haute température correspondent donc à un réel besoin de l’industrie à condition qu’ils permettent de concevoir des dispositifs de contrôle non destructif ultrason performants, compacts, simples et peu coûteux.
Sélection d’un matériau piézoélectrique prometteur pour la haute température
Les matériaux piézoélectriques peuvent être ferroélectriques ou non. La ferroélectricité est la propriété de conserver une polarisation électrique spontanée après l’application d’un champ électrique. Cette polarisation peut être inversée en présence d’un champ électrique contraire suffisamment puissant. Cette caractéristique est directement liée à la structure du matériau puisqu’il s’agit d’une asymétrie spontanée des charges au sein de la maille cristalline. Ainsi, les matériaux non ferroélectriques possèdent généralement plus de symétries dans leur structure cristallographique que les matériaux ferroélectriques. C’est pourquoi ils sont pour la plupart plus stables, notamment à haute température. Cependant, l’effet piézoélectrique reposant sur une asymétrie des charges au sein de la maille cristalline lorsque celle-ci est soumise à une déformation, ce plus grand nombre de symétries entraine aussi une diminution de la piézoélectricité et notamment du facteur électromécanique de couplage. Les céramiques piézoélectriques non ferroélectriques ne semblent donc pas appropriées pour réaliser un transducteur ultrason. Afin de trouver le matériau piézoélectrique le plus susceptible de faire fonctionner un transducteur ultrason à haute température, il est important de considérer la température de Curie. Il s’agit de la température à partir de laquelle le matériau adopte une phase cristalline non piézoélectrique.
Au-dessus de la température de Curie, il est alors impossible d’utiliser les propriétés piézoélectriques et ferroélectriques du matériau. De plus, ce dernier se dépolarise à l’approche de la température de Curie, affectant l’effet piézoélectrique et ferroélectrique. Ainsi, la température maximale d’utilisation d’un matériau piézoélectrique dans le cadre d’un transducteur se limite à environ 200°C en dessous de sa température de Curie.
Le Tableau 1.1 permet de comparer les performances de plusieurs matériaux piézoélectriques d’après les données de la littérature (Zhang et Yu, 2011 ; Shinekumar et Dutta, 2014). Les matériaux non ferroélectriques comme le SiO2 n’ont pas de température de Curie. Le mécanisme limitant à haute température est un changement de phase. Le coefficient piézoélectrique d est exprimé pour le mode de déformation prédominant longitudinal et en cisaillement. Le facteur électromécanique de couplage associé permet d’appréhender l’efficacité énergétique du mode de déformation considéré. Il est possible de classer les différents matériaux piézoélectriques en fonction de leur structure cristalline (Shinekumar et Dutta, 2014). Les éléments ayant la même structure ont des propriétés assez proches. L’un des matériaux les plus utilisés est le titanate zirconate de plomb. Il possède une structure en pérovskite. Les céramiques qui ont cette structure cristalline ont d’excellentes propriétés piézoélectriques. Cependant, leur température de Curie est limitée à 500°C.
Les matériaux ayant une structure en couche de pérovskite, c’està- dire constitués d’une superposition de couche ayant une structure perovskite intercalée par d’autres éléments tels que des cations, ont, quant à eux, des températures de Curie bien plus élevées. Par exemple, le titanate de lanthane a une température de Curie de 1461°C ce qui révèle une très bonne stabilité à haute température. En revanche, leurs faibles coefficients piézoélectriques les rendent inutilisables dans un transducteur. Parmi les céramiques piézoélectriques connues, un matériau semble prometteur : le niobate de lithium (LiNbO3). En effet, il a à la fois une température de Curie élevée (TC = 1210°C) et des coefficients piézoélectriques suffisamment élevés.
Les facteurs électromécaniques de couplage sont relativement importants. De plus, une récente étude a suggéré que le niobate de lithium pourrait avoir de bonne performance piézoélectrique jusqu’à 1000°C (Baba, Searfass et Tittmann, 2010).
Choix de la méthode de caractérisation
L’objectif de ce projet est de pouvoir caractériser les propriétés piézoélectriques d’un échantillon de niobate de lithium à des fréquences supérieures à 100 kHz au-dessus de 600°C dans de l’air à pression atmosphérique. Plusieurs méthodes de caractérisation existent. Il est donc important de choisir la plus appropriée pour notre étude. Tout d’abord, il y a la méthode employée dans l’article cité précédemment (Baba, Searfass et Tittmann, 2010) utilisant les échos ultrasons. Cette méthode consiste à coller l’échantillon de niobate de lithium sur une pièce métallique, puis à mesurer le rapport entre le signal électrique envoyé et le signal électrique généré par l’écho de l’onde ultrasonore. Cette méthode est relativement simple dans sa mise en oeuvre bien que le collage à haute température et le câblage électrique peuvent présenter des difficultés. Cependant, elle ne permet pas une caractérisation précise des coefficients piézoélectriques ni des autres coefficients.
Seule une interprétation qualitative globale est possible ce qui exclut la possibilité de déduire les différents mécanismes à l’oeuvre dans l’échantillon. Une seconde méthode utilise un microscope à force atomique (Christman et al., 1998). L’échantillon est placé dans le microscope et un champ électrique est appliqué au niveau de la pointe. On mesure alors la déformation locale du cristal ce qui permet d’observer directement l’effet piézoélectrique.
Mais cette méthode a plusieurs inconvénients. Tout d’abord, il est difficile de modéliser le champ électrique appliqué ni la déformation qu’il engendre ce qui complexifie l’analyse des données. De plus, il est presque impossible d’observer le comportement piézoélectrique de l’échantillon à haute fréquence à cause des vibrations engendrées. Une troisième méthode permet de mesurer l’effet piézoélectrique direct, c’est à dire le fait qu’une contrainte mécanique entraîne une polarisation électrique du matériau.
Pour cela, il faut appliquer une force connue tout en mesurant la polarisation du matériau. On peut utiliser des machines d’essais de compression et des électrodes permettant une bonne répartition de la contrainte. Cependant, cette méthode se limite à des régimes quasi statiques ou à basse fréquence et nécessite un dispositif complexe pour intégrer un système de contrôle en température. Une quatrième méthode se sert de vibromètres laser (Yao et Tay, 2003). Un signal électrique à une fréquence supérieure à 30 kHz est envoyé à un échantillon piézoélectrique et un vibromètre laser mesure sa déformation selon un certain axe.
Le laser utilisé est de basse intensité et donc ne provoque pas de perturbation thermique sur l’échantillon. Il est aussi adapté pour la haute fréquence et la haute température. Malgré cela, plusieurs problèmes persistent. L’échantillon adopte des modes de déformations de plus en plus complexes au fur et à mesure que la fréquence augmente. Les longueurs d’onde diminuent ce qui crée de multiples creux et bosses à la surface de l’échantillon.
Il est très difficile de connaître avec exactitude le mode de vibration de l’échantillon et donc de faire le lien entre l’amplitude de déformation mesurée en un point et les propriétés du matériau. De plus, le laser ne mesure pas en un point, mais plutôt sur une surface d’environ 1 mm² ce qui a haute fréquence complique considérablement l’analyse des données. Un autre obstacle est le fait que le rayon lumineux doit être réfléchi en direction de la source. Cela oblige à coller une surface réfléchissante omnidirectionnelle si l’on veut réaliser des mesures selon un axe différent de l’axe normal à la surface. Or, les surfaces réfléchissantes ne résistent à la haute température. Il aurait fallu développer un autre système probablement plus complexe.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE CRITIQUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Dispositifs ultrasonores existants à haute température et leurs limites
1.2 Caractéristiques recherchées du matériau piézoélectrique
1.3 Sélection d’un matériau piézoélectrique prometteur pour la haute température
1.4 Propriétés et mécanismes du niobate de lithium à haute température
CHAPITRE 2 DÉMARCHE SCIENTIFIQUE
2.1 Choix de la méthode de caractérisation
2.2 Choix du modèle analytique pour la caractérisation par résonances
2.3 Mise en place de l’expérience
CHAPITRE 3 GENERAL DYNAMIC ANALYTICAL MODEL OF PIEZOELECTRIC MATERIALS
3.1 Résumé
3.2 Abstract
3.3 Introduction
3.4 Derivation of the general analytical model for any crystal class
3.5 Application to the 3m crystal symmetry class
3.6 Experimental validation
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 HIGH TEMPERATURE CHARACTERIZATION OF PIEZOELECTRIC LITHIUM NIOBATE USING ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY RESONANCE METHOD
4.1 Résumé
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Method
4.5 Results and discussion
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5 RÉSULTATS ET DISCUSSION
5.1 Résultats du premier article
5.2 Résultats second article
5.3 Retour sur la démarche de recherche
5.4 Perspectives
CONCLUSION
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Tableau 1.1 Comparaison des performances de différents
matériaux piézoélectriques
Tableau 3.1 Parameter notation used in this article
Tableau 4.1 Material properties of LiNbO3 as a function of temperature
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