Conception et élaboration de transducteurs piézoélectriques à gradient de fonction sans plomb – FunGPT

Les transducteurs piézoélectriques utilisés pour le contrôle actif des vibrations permettent de réduire considérablement les nuisances sonores (-20 dB) et l’endommagement par fatigue vibratoire (x10 sur la durée de vie). L’intégration de capteurs et actionneurs fait cependant face à plusieurs défis majeurs : (i) le collage des éléments structuraux et piézoélectriques génère des discontinuités mécaniques, thermiques et électriques aux interfaces, et induit des phénomènes de délaminage et une perte d’efficacité dans la conversion électromécanique, (ii) les piézoélectriques collés sont sensibles aux chargements thermiques (dépolarisation à 150-200 °C, dilatation différentielle).

Les matériaux piézoélectriques à gradient de fonction (FGPM) pourraient permettre de surmonter le premier défi (i). Ils associent 2 types de matériaux, une céramique piézoélectrique et un matériau métallique. Leur structure consiste en une évolution graduelle de la composition et des propriétés dans l’épaisseur, afin de réduire les contraintes aux interfaces existant dans les transducteurs classiques et supprimant le problème de décollement. Les études numériques publiées montrent le fort potentiel de ces matériaux comme actionneurs et capteurs. Cependant la démonstration expérimentale n’a pas encore été faite car elle requiert le développement d’un procédé de mise en forme innovant.

Dans ce contexte, le projet FunGPT (FUNctionally Graded Piezoelectric Transducers) a pour objectif de démontrer expérimentalement la faisabilité de l’élaboration de transducteurs FGPM présentant des performances électromécaniques au moins au niveau de celles d’une pastille PZT (Pb(Zr,Ti)O3) collée. Aussi, le projet se concentrera sur des céramiques de niobate de potassium et de sodium (KNN) qui présentent une température de Curie plus élevée que celle du PZT (420 °C, défi (ii)) et qui respectent les directives REACH et RoHS (sans plomb) pour une fabrication souveraine en France.

Ce projet est divisé en 4 tâches principales interconnectées :
• Le développement d’un procédé économique (peu énergivore) d’élaboration de FGPM appelé cold sintering, utilisant une gamme de températures bien inférieure à celle du frittage SPS (Spark Plasma Sintering, utilisé dans nos précédents travaux), i.e. 300-400 °C vs. 900-1000 °C. Il permet également d’élaborer plus facilement des échantillons de tailles supérieures à ceux obtenus par SPS (jusqu’à 40 mm de diamètre).
• La mesure des propriétés physiques des FGPM ainsi élaborés. Cette étude sera menée aux échelles macroscopiques et microscopiques afin de connaître les lois de comportement en fatigue électrique (10e9 cycles), thermique (-40 °C à 125 °C) et en flexion statique et dynamique des FGPM.
• Le développement d’un outil de modélisation des FGPM par éléments finis afin d’optimiser ses capacités de transduction et de résistance à la fatigue et à l’endommagement. Ce code sera renforcé par les paramètres issus des taches 1 et 2.
• La réalisation d’un démonstrateur intégré, FGPM d’une longueur d’environ 40 mm et d’épaisseur 3 mm, conçu pour permettre le contrôle de l’isolation vibratoire à partir de 150 Hz, avec une amplification modale inférieur à 6 dB et une décroissance de transmission supérieure à 20 dB/dec en hautes fréquences. On mettra en évidence ses performances en fatigue et en résistance aux gradients de températures en les comparant à celles des transducteurs classiques de PZT.

Des premiers tests entre LCMCP, FEMTO-ST et LEME ont abouti à des premiers modèles et l’élaboration d’échantillons FGPM à base de BaTiO3 et nickel par SPS. Les FGPM ont atteint les propriétés piézoélectriques attendues sans fissure mais présentent une température de Curie de 120 °C. Le nouveau consortium, composé de 5 laboratoires de recherches académiques rassemble désormais des compétences très complémentaires en matériaux (piezoMEMS FEMTO-ST) et banc d’essais (CRéA) pour développer des FGPM à base de piézoélectriques sans plomb performants (KNN).