Matériaux piézoélectriques sans plomb haute performance (composites et céramiques texturées) pour des applications ultrasonores – HYPERCAMPUS

Les céramiques piézo-électriques sont commercialisées depuis plusieurs décennies et leurs utilisations ne cessent d’augmenter. Aujourd'hui, ces matériaux sont intégrés dans une large gamme de dispositifs et en particulier pour les applications ultrasonores. Depuis la découverte dans les années 50 du zircono-titanate de plomb (PZT), de nombreuses compositions dérivées ont été développées pour optimiser l'efficacité de ces matériaux. Grâce à l'utilisation de dopants/additifs et des procédés de fabrication efficaces, les PZT sont aujourd’hui les matériaux les plus utilisés. Ce succès croissant des PZT est malheureusement associé à des problèmes sanitaires et environnementaux en raison du plomb que ces matériaux contiennent. En conséquence l'U.E en 2003, mais aussi plusieurs pays à travers le monde, ont inclus les PZT dans leur législation comme substances dangereuses et devant être remplacés par d’autres matériaux inoffensifs pour la santé et l’environnement. La réglementation européenne sera réexaminée tous les quatre ans, et lorsque des matériaux de remplacement seront viables, les dérogations seront annulées.

Avec un consortium français d’équipes complémentaires, nous proposons dans le projet HYPERCAMPUS d’élaborer et d’optimiser des matériaux piézo-électriques sans plomb. Plusieurs prototypes seront fabriqués pour des applications sous-marines, CND et imagerie médicale (entre 500 kHz et 20 MHz pour ces transducteurs ultrasonores). Ce consortium est composé de six partenaires, avec quatre laboratoires publics (Univ. François-Rabelais de Tours (U930), Univ. de Limoges (SPCTS), Chimie-ParisTech (LCMCP), I.E.M.N. Lille) et deux sociétés (Thales R&T, VERMON SA).
Les objectifs scientifiques et techniques, qui concernent essentiellement des développements expérimentaux, sont multiples et couvrent les caractéristiques nécessaires à plusieurs applications, mais avec toujours le même but final : obtenir des matériaux piézo-électriques sans plomb à hautes performances. Le développement de ces matériaux se fera suivant trois axes. Premièrement, la fabrication de céramiques denses et reproductibles de composition de base KNN sera réalisée. Deuxièmement, des céramiques texturées par la méthode « TGG » seront aussi fabriquées avec un fort degré de texturation. Pour cela, deux compositions de base seront étudiées (titanate de barium (BaTiO3) et KNN (K1-xNaxNbO3)). Enfin, des composites piézo-électriques de connectivité 1-3 seront élaborés avec des monocristaux sans plomb (KNN) en utilisant une nouvelle méthode de fabrication « par lamination ». Cette nouvelle méthode permet d’obtenir de grandes surfaces de composites tout en gardant des propriétés homogènes.

Avec ces nouveaux matériaux, plusieurs prototypes seront conçus et fabriqués. Des transducteurs ultrasonores mono et multi-éléments (barrette linéaire HF et matrice 2D) seront réalisés. Le développement de cette nouvelle génération de matériaux sans plomb à hautes performances, au moins équivalentes à celles des matériaux contenant du plomb en termes de propriétés requises, confirmera ainsi le possible remplacement de ces derniers. Des modèles numériques spécifiques seront développés pour aider l’optimisation des matériaux piézo-électriques et la conception des transducteurs.

Pour les deux industriels participant au projet, les résultats escomptés sont primordiaux pour leurs futures activités. Pour le premier, posséder en interne le savoir-faire et la production de céramiques piézo-électriques sans plomb sera l’opportunité de conforter sa position parmi les acteurs majeurs des applications sous-marines (sonars). Par ailleurs, le second industriel se doit aussi d’être présent, dès le stade précoce, dans le développement de ces nouveaux matériaux pour rester compétitif en cas de non prolongation de l’exemption. Avec ce projet, on peut imaginer qu'une nouvelle gamme de transducteurs « écologiques » pourra être commercialisée et viendra se substituer à l'état de l'art actuel.