Que sont les matériaux piézoélectriques ?

Si vous avez déjà utilisé un briquet, subi une échographie médicale dans un cabinet médical ou allumé un brûleur à gaz, vous avez utilisé la piézoélectricité.

​Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux qui ont la capacité de générer une charge électrique interne à partir d'une contrainte mécanique appliquée.Le termepiézoest grec pour "pousser".

Plusieurs substances présentes naturellement dans la nature démontrent l'effet piézoélectrique. Ceux-ci inclus:

• OS
• Cristaux
• Certaines céramiques
• ADN
• Émail
• Soie
• Dentine, et bien d'autres.

Les matériaux qui présentent l'effet piézoélectrique démontrent également l'effet piézoélectrique inverse (également appelé effet piézoélectrique inverse ou inverse). leeffet piézoélectrique inverseest la génération interne de contrainte mécanique en réponse à un champ électrique appliqué.

Les cristaux ont été le premier matériau utilisé dans les premières expérimentations de la piézoélectricité. Les frères Curie, Pierre et Jacques, ont prouvé pour la première fois l'effet piézoélectrique direct en 1880. Les frères ont développé leurs connaissances pratiques des structures cristallines et des matériaux pyroélectriques (matériaux qui génèrent une charge électrique en réponse à un changement de température).

Ils ont mesuré les charges de surface des cristaux spécifiques suivants :

• Sucre de canne
  
• Tourmaline
• Quartz
• Topaze
• Sel de Rochelle (tartrate de potassium sodique tétrahydraté)

Le quartz et le sel de Rochelle ont démontré les effets piézoélectriques les plus élevés.

Cependant, les frères Curie n'ont pas prédit l'effet piézoélectrique inverse. L'effet piézoélectrique inverse a été déduit mathématiquement par Gabriel Lippmann en 1881. Les Curie ont ensuite confirmé l'effet et apporté la preuve quantitative de la réversibilité des déformations électriques, élastiques et mécaniques dans les cristaux piézoélectriques.

En 1910, les 20 classes de cristaux naturels dans lesquelles la piézoélectricité se produit ont été complètement définies et publiées dans Woldemar Voigt.Lehrbuch Der Kristallphysik. Mais il restait un domaine de niche obscur et hautement technique de la physique sans aucune application technologique ou commerciale visible.

​Première Guerre mondiale:La première application technologique d'un matériau piézoélectrique a été le détecteur sous-marin à ultrasons créé pendant la Première Guerre mondiale. La plaque du détecteur était constituée d'un transducteur (un appareil qui transforme un type d'énergie en un autre) et d'un type de détecteur appelé hydrophone. Le transducteur était constitué de fins cristaux de quartz collés entre deux plaques d'acier.

Le succès retentissant du détecteur de sous-marins à ultrasons pendant la guerre a stimulé le développement technologique intense des dispositifs piézoélectriques. Après la Première Guerre mondiale, les céramiques piézoélectriques ont été utilisées dans les cartouches des phonographes.

​La Seconde Guerre mondiale:Les applications des matériaux piézoélectriques ont considérablement progressé pendant la Seconde Guerre mondiale grâce à des recherches indépendantes menées par le Japon, l'URSS et les États-Unis.

En particulier, les progrès dans la compréhension de la relation entre la structure cristalline et l'activité électromécanique ainsi que d'autres développements dans la recherche ont déplacé l'approche vers piézoélectrique technologie entièrement. Pour la première fois, les ingénieurs ont pu manipuler des matériaux piézoélectriques pour une application de dispositif spécifique, plutôt que d'observer les propriétés des matériaux, puis de rechercher des applications appropriées des Propriétés.

Ce développement a créé de nombreuses applications liées à la guerre de matériaux piézoélectriques tels que des microphones super-sensibles, des dispositifs de sonar puissants, des bouées acoustiques (petites bouées avec capacité d'écoute d'hydrophones et de transmission radio pour surveiller le mouvement des navires océaniques) et systèmes d'allumage piézo pour monocylindre allumages.

Comme mentionné ci-dessus, la piézoélectricité est la propriété d'une substance à générer de l'électricité si une contrainte telle qu'une compression, une flexion ou une torsion lui est appliquée.

Lorsqu'il est soumis à une contrainte, le cristal piézoélectrique produit une polarisation,P, proportionnel au stress qui l'a produit.

leL'équation principale de la piézoélectricité est​

oùréest le coefficient piézoélectrique, un facteur unique à chaque type de matériau piézoélectrique. Le coefficient piézoélectrique pour le quartz est de 3 × 10^-12. Le coefficient piézoélectrique pour le titanate de zirconate de plomb (PZT) est de 3 × 10^-10.

De petits déplacements d'ions dans le réseau cristallin créent la polarisation observée dans la piézoélectricité. Cela ne se produit que dans les cristaux qui n'ont pas de centre de symétrie.

Ce qui suit est une liste non exhaustive de cristaux piézoélectriques avec quelques brèves descriptions de leur utilisation. Nous discuterons plus tard de certaines applications spécifiques des matériaux piézoélectriques les plus fréquemment utilisés.

​Cristaux naturels :​

• Quartz. Un cristal stable utilisé dans les cristaux de montre et les cristaux de référence de fréquence pour les émetteurs radio.
• Saccharose (sucre de table)
• Sel de Rochelle. Produit une grande tension avec compression; utilisé dans les premiers microphones à cristal.
• Topaze
• Tourmaline
• Berlinite (AlPO₄). Un minéral phosphate rare structurellement identique au quartz.

​Cristaux artificiels :​

• Orthophosphate de gallium (GaPO₄), un analogue à quartz.
• Langasite (La₃Géorgie₅SiO₁₄), un analogue à quartz.

​Céramiques piézoélectriques :​

• titanate de baryum (BaTiO₃). Découverte de la première céramique piézoélectrique.
• Titanate de plomb (PbTiO₃)
• Titanate de zirconate de plomb (PZT). Actuellement, la céramique piézoélectrique la plus couramment utilisée.
• Niobate de potassium (KNbO₃)
• Niobate de lithium (LiNbO₃)
• Tantalate de lithium (LiTaO₃)
• Tungstate de sodium (Na₂WO₄)

​Piézocéramiques sans plomb :​

Les documents suivants ont été développés en réponse aux préoccupations concernant l'exposition environnementale nocive au plomb.

• Niobate de potassium et de sodium (NaKNb). Ce matériau a des propriétés similaires au PZT.
• Ferrite de bismuth (BiFeO₃)
• Niobate de sodium (NaNbO₃)

​Matériaux piézoélectriques biologiques :​

• Tendon
• Bois
• Soie
• Émail
• Dentine
• Collagène

​Polymères piézoélectriques :Les piézopolymères sont légers et de petite taille, ce qui augmente leur popularité pour les applications technologiques.

Le fluorure de polyvinylidène (PVDF) présente une piézoélectricité plusieurs fois supérieure à celle du quartz. Il est souvent utilisé dans le domaine médical comme dans la suture médicale et les textiles médicaux.

Les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans de nombreuses industries, notamment :

• Fabrication
• Équipement médical
• Télécommunications
• Automobile
• Information Technologique (IT)

​Sources d'alimentation haute tension :​

• Briquets électriques. Lorsque vous appuyez sur le bouton d'un briquet, le bouton fait frapper un petit marteau à ressort cristal piézoélectrique, produisant un courant à haute tension qui traverse un espace pour chauffer et allumer le gaz.
• Grils ou cuisinières à gaz et brûleurs à gaz. Ceux-ci fonctionnent de la même manière que le briquet, mais à plus grande échelle.
• Transformateur piézoélectrique. Ceci est utilisé comme multiplicateur de tension alternative dans les lampes fluorescentes à cathode froide.

Les transducteurs à ultrasons sont utilisés en imagerie médicale de routine. UNEtransducteurest un dispositif piézoélectrique qui agit à la fois comme un capteur et un actionneur.Transducteurs à ultrasonscontiennent un élément piézoélectrique qui convertit un signal électrique en vibration mécanique (transmet mode ou composant d'actionneur) et vibration mécanique en signal électrique (mode de réception ou capteur composant).

L'élément piézoélectrique est généralement coupé à 1/2 de la longueur d'onde souhaitée du transducteur à ultrasons.

Les autres types de capteurs piézoélectriques comprennent :

• Micros piézoélectriques.
• Micros piézoélectriques pour guitares électro-acoustiques.
• Ondes sonar. Les ondes sonores sont à la fois générées et détectées par l'élément piézoélectrique.
• Pads de batterie électroniques. Les éléments détectent l'impact des baguettes des batteurs sur les pads.
• Accéléromyographie médicale. Ceci est utilisé lorsqu'une personne est sous anesthésie et a reçu des relaxants musculaires. L'élément piézoélectrique de l'accéléromyographe détecte la force produite dans un muscle après une stimulation nerveuse.

L'une des grandes utilités des actionneurs piézoélectriques est que les tensions de champ électrique élevées correspondent à de minuscules changements micrométriques de la largeur du cristal piézoélectrique. Ces micro-distances rendent les cristaux piézoélectriques utiles comme actionneurs lorsqu'un positionnement minuscule et précis d'objets est nécessaire, comme dans les appareils suivants :

• Haut-parleurs
• Moteurs piézoélectriques
• Electronique laser
• Imprimantes à jet d'encre (les cristaux entraînent l'éjection de l'encre de la tête d'impression vers le papier)
• Moteurs diesel
• volets à rayons X

Les matériaux intelligents sont une large classe de matériaux dont les propriétés peuvent être modifiées de manière contrôlée en un stimulus externe tel que le pH, la température, des produits chimiques, un champ magnétique ou électrique appliqué, ou stress.Les matériaux intelligents sont également appelés matériaux fonctionnels intelligents.​

Les matériaux piézoélectriques correspondent à cette définition car une tension appliquée produit une contrainte dans un matériau piézoélectrique, et inversement, l'application d'une contrainte externe produit également de l'électricité dans le matériel.

Les autres matériaux intelligents comprennent les alliages à mémoire de forme, les matériaux halochromes, les matériaux magnétocaloriques, les polymères sensibles à la température, les matériaux photovoltaïques et bien d'autres.