Matériaux Électrostrictifs Géants pour Appllications Electro-Mécaniques – MEGAEM

La capacité à générer des ondes acoustiques par un champ électrique permet la conception d"applications électromécaniques telles que des sonars, hydrophones, sondes échographiques, filtres fréquentiels, ainsi que des systèmes électro-mécaniques miniatures (MEMS).

Ces applications électromécaniques sont très majoritairement basées sur l'effet piézoélectrique, dans lequel la déformation est proportionnelle au champ électrique appliqué. Le matériau composant plus de 99% de ces applications est le PZT, solution solide entre le titanate et le zirconate de plomb, qui domine très largement le marché depuis plusieurs décennies. La présence de plomb bénéficie actuellement d'une exemption d'application des régulations environnementales européennes mais pose néanmoins problème. Les alternatives piézoélectriques sans plomb, malgré un effort de recherche important de la communauté, n'ont au mieux qu'égalé les performances du PZT. Elles ne présentent donc pas un rapport gain/coût assez important pour causer un changement de technologie industrielle.

L'électrostriction est également une propriété électromécanique mais la déformation induite est cette fois proportionnelle au carré du déplacement diélectrique induit par l'application d'un champ électrique. Pour les diélectriques linéaires, cette déformation est donc proportionnelle au carré du champ. Jusqu'à récemment, les propriétés des électrostrictifs ne permettaient pas de concurrencer les piézoélectriques et les meilleurs électrostrictifs contenaient également du plomb. En 2012, la découverte d'un effet électrostrictif "géant", un million de fois plus important qu'attendu, permet d'envisager des applications électromécaniques aux performances supérieures à celles des piézoélectriques, avec l'avantage que ce matériau (la cérine dopée gadolinium) ne contient pas de plomb. En 2016 et 2018 deux autres matériaux, l'oxyde de bismuth (Bi2O3 en phase delta) et le LAMOX (La2Mo2O9), ont été découverts, avec des performances similaires. Ces découvertes sont d'autant plus surprenantes que ces matériaux étaient jusque-là étudiés pour leurs propriétés de conduction ionique pour des applications dans les piles à combustible.

Ce champ de recherche n'est pour le moment pas très actif (une vingtaine de publications depuis 7 ans), sans doute parce que la communauté des piézoélectriques ne s'intéresse que peu à ces matériaux à lacunes d'oxygène et que la recherche sur les piles à combustible ne s'intéresse pas pratiquement pas aux propriétés électromécaniques. Ceci implique qu'un consortium "mixte" de spécialistes de ces matériaux et des mesures électrostricitves peut faire progresser rapidement cette thématique. Nous proposons donc ce projet avec un tel consortium. En plus de ces expertises expérimentales, le consortium comporte un spécialiste des modélisations ab initio afin de déterminer, en synergie avec les expériences, le mécanisme à la base de cet effet. Ceci permettra d'identifier les paramètres structuraux à optimiser afin d'exacerber encore cette réponse. Ceci se fera en s'assurant de l'industriabilité des résultats obtenus par la participation d'un partenaire industriel.

Notre projet vise donc à valider le potentiel de l'électrostriction "géante" des matériaux déjà découverts pour des applications à base d'électrostrictifs massifs, notamment les sonars. Pour cela, nous déterminerons les compositions optimales et les caractériserons en fonction de la température et de la fréquence. En combinant des caractérisations structurales sous champ électrique et les simulations, nous chercherons à déterminer les stratégies permettant d'optimiser encore ces performances pour les applications. Il en effet peu probable que les premiers matériaux découverts se révèlent être les meilleurs. Nous espérons ainsi contribuer à impulser un effort plus large de recherche sur cette thématique permettant des applications électromécaniques plus performantes et plus respectueuses de l'environnement.