Elements céramiques optimisés sans plomb pour applications ultrasonores – ECOSONIC

Le projet ECOSONIC vise à développer une filière souveraine de transducteurs ultrasonores à base de matériaux piézoélectriques sans plomb. Les impératifs environnementaux et la précarité de l’exemption dont bénéficie le PZT dans le cadre de la directive européenne RoHS rendent ce développement aussi impératif qu’urgent. Si cette problématique de remplacement du PZT est identifiée de longue date, la principale barrière au développement d’une telle filière réside principalement dans l’absence de synergie public-privé. Celle-ci résulte dans le développement en laboratoire de formulations toujours plus complexes de composés piézoélectriques toujours plus performants mais qui ne sont pas industrialisables. Du côté des entreprises, le principal frein est l’absence de disponibilité de matériaux ad hoc qui permettraient un simple remplacement du PZT dans les transducteurs actuels, optimisés pour le PZT.
Notre consortium vise, à travers ce projet, à surmonter cette barrière en développant ensemble une solution matériau adaptée aux exigences industrielles tout en concevant des transducteurs nouveaux adaptés à ces matériaux sans plomb.
L’objectif du projet ECOSONIC est donc la réalisation de prototype de transducteurs pour le contrôle non destructif et de transducteurs sous-marins à base de matériau actif sans plomb. Le matériau sans plomb sélectionné est la solution solide BaTiO3-BaSnO3 (BTSn). Ce choix est basé sur 1/ l’absence de solution commerciale alternative qui soit performante et souveraine pour des matériaux sans plomb, 2/ sur la capacité à industrialiser la production du matériau en évitant les éléments volatils comme le sodium, le potassium ou le bismuth et les formulations complexes amenant à des variabilités des performances, et 3/ sur les propriétés piézoélectriques et diélectriques de cette solution solide. Les transducteurs cibles ont des plages de température d’utilisation qui sont compatibles avec la température de Curie relativement basse (>120°C) de cette solution solide et la conception des échantillons sera adaptée à cette température de Curie.
L’utilisation d’une texturation des céramiques réalisées par coulage en bande permettra par ailleurs de tirer parti de l’anisotropie des propriétés diélectriques et piézoélectriques. Ceci permettra de rapprocher les performances piézoélectriques des céramiques des monocristaux tout en conservant un coût de fabrication raisonnable. La texturation sera réalisée à l’aide de plaquettes monocristallines de BaTiO3 synthétisées par la méthode hydrothermale, elle aussi transférable à une production industrielle et respectueuse de l’environnement. Comme indiqué précédemment, en plus du matériau actif, le projet vise à redéfinir la conception des transducteurs, en prenant en compte les propriétés élastiques, de masse volumique, diélectriques, piézoélectriques et de température de Curie du matériau sans plomb sélectionné.
Le projet consistera en une phase préliminaire dans laquelle les plaquettes de BaTiO3 et les poudres de BTSn seront synthétisées au laboratoire SPMS alors que les travaux de conception des transducteurs (détermination des tenseurs des propriétés, sélection des autres matériaux, méthode de conception etc.) seront initiés avec des échantillons de BaTiO3 commercial dans les deux entreprises : IMASONIC et PYTHEAS Technology. Ces travaux seront affinés avec les premiers échantillons, non orientés, de BTSn puis avec les échantillons de BTSn orientés produits par le SPMS. La maîtrise de la synthèse de ces matériaux sera transférée à PYTHEAS Technology pour un passage à une production industrielle, avant intégration des échantillons produits industriellement dans les transducteurs prototypes finaux, qui seront réalisés à IMASONIC et PYTHEAS Technology, et dont le niveau de performances sera caractérisé en comparaison avec les versions actuelles en PZT pour les applications en contrôle non destructif et sous-marines.