Matériaux électro-actifs

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Page 1 Mémoire Matériau Les matériaux électro-actifs, vers un ANDRIEU Guillaume BETBEDER-LAUQUE Xavier THOMAS--ROUQUET Benjamin

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ANDRIEU GuillaumeBETBEDER-LAUQUE XavierTHOMAS--ROUQUET BenjaminMmoire MatriauLes matriaux lectro-actifs, vers un muscle artificielIntroductionLlaboration dun mmoire matriau sinscrit dans le cadre de la formation ENIT au cours du cinquime semestre. Il sagit du premier travail de synthse de ltudiant de grande ampleur. Il sagit donc de rechercher des sources documentaires sur un sujet plus ou moins pointu et puis de synthtiser ces donnes.Parmi les ressources documentaires mises la disposition des tudiant ENIT, on retrouve des livres ou revues matrielles stocks dans la bibliothque de lcole ou accessible aprs en avoir fait la demande au sein dun autre tablissement partenaire du rseau Archipel, laccs internet de lcole permettant dobtenir des documents immatriels via Techniques de lIngnieur ou le moteur de recherche Google Scholar sans oublier son grand frre Google. A ces ressources sajoutent des contacts quil appartient aux tudiants de contacter afin de collecter des informations spcifiques.Toutes ces ressources ont un potentiel qui dpend de la maturit du sujet recherch. A ce jour, Les Matriaux Electro Actifs attirent lattention des scientifiques et des chercheurs. En effet, en tant que nouvel actionneur, leur utilisation pourrait dans peu de temps rvolutionner de nombreux secteurs comme le mdical ou la robotique. Les Matriaux Electro Actifs, vers un muscle Artificiel est lintitul du sujet de ce mmoire. Ce travail de synthse pourra servir de base documentaire de futures recherches sur ces matriaux.Les matriaux lectro actifs sont tous les matriaux qui, soumis un courant lectrique se dforment. Ces matriaux se prsentent sous deux familles: Electronique ou Ionique. Ils peuvent tres rpertoris par catgoriesles caractrisant: Les matriaux piezo-lectriques Les matriaux ferrolectriques (cas particulier des piezzo) Les cramiques lectro-strictives (cas particulier des piezzo) Les papiers lectro-actifs Les polymres dilectriques (cas particulier des piezzo) Les Polymres conducteurs Les Polymres ioniques composite mtal Les Gels de polymresNous dbuterons par dfinir les diffrents matriaux actifs comme les matriaux pizo-lectriques qui sont les plus rpandus dans le monde actuel puis nous aborderons deux de leurs applications.

Les matriaux lectro actifs sont des matriaux qui vont ragir une nergie lectrique par une dformation de leur structure. Ces matriaux peuvent se classer en deux familles; une famille dite lectrique et une autre dite ionique. Nous prsenterons plus en dtails leurs diffrences, aprs avoir prsent les diffrents types de matriaux lectro actifs existants dans chacune de ces familles.

SommaireIntroduction2Les matriaux lectro actifs lectriques5Les matriaux Dilectriques5Temprature de Curie6Structure cristalline et mode de fabrication8Fabrication par voie solide:8Fabrication par voie liquide (en milieu oxalique)8La Structure Provskite(Exemple avec du )9Electrostriction10Contrainte de Maxwell11La Pizolectricit12Aspect Historique12Dfinition de laxe Polaire14Modes de Dformation15Couplage de coefficient lectromcanique 16La ferrolectricit17Un peu dhistoire17Description17Echelle microscopique19La thorie du mode mou20Applications20Application de ces diffrentes phnomnes au Titanate de Baryum ()22Cas dtude n1: Mode 3322Cas dtude n2: mode 1525Matriaux lectro-actifs ioniques27Les gels de polymres27Les composites mtal-polymres ioniques27Polymres conducteurs29Les Polymres lectro-actifs, exemple des papiers lectro-actifs30Cest bien beau tout a mais jutilise quel matriau au final?32Avantages et inconvnients des deux familles de matriaux lectro-actifs32Cas des polymres lectro-actifs33Electric EAP35Les Matriaux Pizolectriques35Applications des matriaux pizolectriques35

Les matriaux lectro actifs lectriquesContrairement ce quon pourrait penser, les matriaux lectro actifs sont tous des isolants lectriques. Appels matriaux dilectriques, ils ragissent tous un champ lectrique avec une rponse mcanique, tant quils possdent leur proprit de polarit, cest--dire en dessous de leur temprature de Curie. Cette raction est due la somme de deux phnomnes; llectrostriction et la contrainte de Maxwell. Afin de garder leurs proprits microscopiques, leur fabrication nest pas simple et pose de vritables problmes. On peut classer ces matriaux dilectriques en 32 classes cristallines. Parmi ces 32 classes, 20 sont dites pizolectriques. Dans ces matriaux, les phnomnes dlectrostriction et de la contrainte de Maxwell deviennent ngligeables devant le phnomne de pizolectricit. On peut de nouveau subdiviser les matriaux pizolectriques en deux catgories en fonction de la raction ou non de leur polarisation vis--vis de la temprature.Ainsi, sur les 20 matriaux pizolectriques, la moiti sont dits pyrolectriques. Finalement parmi ces 10 matriaux pizolectriques et pyrolectriques, seulement quelques-uns possdent une polarisation spontane, ils sont appels matriaux ferrolectriques.Afin dillustrer les concepts et les diffrentes lois qui vont tre utilises, il vous sera propos chaque fois, un exemple. Le (ou Titanate de Barium) est une cramique ferrolectrique (donc pizolectrique) trs utilise dans lindustrie pour ses proprits trs intressantes en tant que condensateur, microphone ou encore divers transducteurs.

32 Classes Cristallines Matriaux Dilectriques

20 Classes Pizolectriques

10 Classes Polaires Pyrolectriques

Ferrolectriques

Ex : Ex : TourmalineEx : QuartzEx : Verre, PVC

Tableau 1-Reprsentation de la famille des matriaux lectro-actifs lectriques

Les matriaux Dilectriques

Figure 1-Reprsentation d'un diple lectrique et de son champ lectrique crDfinition: "Un matriau est dit dilectrique sil ne contient pas de charges lectriques susceptibles de se dplacer de faon macroscopique." Les lectrons ne peuvent donc pas se dplacer sur de grandes distances. Un matriau dilectrique est donc un isolant lectrique. Cependant, mme si les distances ne sont pas trs importantes, ceux-ci peuvent tout de mme se dplacer au niveau microscopique. Ce dplacement dlectrons irrgulier autour de son noyau va crer un dcalage entre le barycentre des charges ngatives et celui des charges positives. Il y a donc cration dun diple lectrostatique.Chaque diple lectrostatique va alors crer un champ lectrique. Si le matriau dilectrique nest pas organis, ces champs vont alors sannuler au niveau macroscopique. Cependant si une organisation apparait, sous linfluence dun champ lectrique extrieur par exemple, tous ces champs lectriques vont alors sadditionner. On parle alors de polarisation du matriau. Cette polarisation se traduit au niveau microscopique par une polarisabilit et au niveau macroscopique par la susceptibilit lectrique.Cest cette notion de polarisation et de susceptibilit lectrique qui explique les phnomnes dlectro-activits des matriaux. Cette polarisation peut tre permanente comme dans les matriaux pizolectriques et ferrolectriques, on parle alors de molcule (cristal) polaire, ou bien simplement induite lorsquon applique un champ lectrique au matriau comme dans tous les matriaux dilectriques.

Temprature de CurieAu-dessus dune temprature critique appele Temprature de Curie et note Tc, les matriaux perdent leur aimantation spontane. Ils se retrouvent alors dans un tat dsordonn dit paramagntique. Les matriaux paramagntiques peuvent de nouveau se rorganiser sous linfluence dun champ magntique paralllement ce champ (sauf trs haute temprature) en fonction de leur susceptibilit magntique.Cette susceptibilit est une fonction de la temprature et peut tre dcrite par la loi de Curie-Weiss:

Avec: , la susceptibilit magntique du matriau , la temprature de Curie, telle que: Avec: , la constante molculaire de Weiss., la permabilit magntique du vide C, la constante de Curie, spcifique chaque matriauCette susceptibilit magntique est toujours suprieure 1 mais est en gnral moins importante que la susceptibilit du mme matriau en-dea de sa temprature de Curie. Par analogie, la temprature de Curie sert aussi dcrire la temprature partir de laquelle un matriau va perdre sa polarisation lectrique spontane. On parle alors de matriau paralectrique. Cette temprature, note , est comprise entre Tc et .Dans les matriaux pizolectriques, en dpassant cette temprature , la structure cristalline permettant le dplacement de charges au niveau microscopique, va se transformer en structure cubique symtrique devenant ainsi un matriau dilectrique.

Figure 2- Au-dessus de sa temprature de CurieEn labsence de champ lectriqueEn prsence dun champ lectriqueFigure 3- En-dessous de sa temprature de CurieOrientation des charges dans un matriau ferrolectrique:

La temprature de Curie est un point rversible; un matriau ferrolectrique deviendra un matriau dilectrique au-dessus de sa temprature de Curie puis redeviendra nouveau un matriau ferrolectrique en passant en-dessous de sa temprature de Curie. Toujours par analogie, on peut exprimer la permittivit dilectrique du matriau au-dessus de sa temprature de Curie en fonction de la temprature par une loi modifie de Curie-Weiss:

Pour: , on obtient Exemple du :

Figure 4 Evolution de la permittivit dilectrique du BaTiO3en fonction de la tempratureLa temprature de Curie duest denviron 120C:

Structure cristalline et mode de fabrication

Comme vu prcdemment, il existe 32 structures cristallines diffrentes pour les matriaux dilectriques. La polarisation des matriaux seulement dilectriques ne seffectuent quen prsence dun champ lectrique; il nest donc pas ncessaire dutiliser des procds spcifiques afin dorienter les charges. Il nous reste donc 20 classes cristallines diffrentes. Lobjectif nest pas ici de vous dtailler toutes les structures existantes ainsi que toutes les mthodes de fabrication. Cependant afin de bien cerner limportance de la polarisation nous vous proposons dtudier la structure provskite rencontre dans les cramiques pizolectriques telles que Fabrication par voie solide:Dans un premier temps les composs () sont mlangs dans de lthanol ou de leau. Ils sont ensuite schs. Le mlange subit une premire calcination 950C pendant 6h. Le mlange est ensuite broy et rincorpor dans de lthanol ou de leau puis sch de nouveau avant de subir une seconde calcination dont la dure et la temprature est identique la premire. De nouveau, le mlange est broy et rincorpor dans de leau ou de lthanol puis finalement sch. Il sagit du frittage. Aprs exprimentation, il apparait que les cramiques gros grains ont une meilleure lectrostriction et une hystrsis acceptable.

Fabrication par voie liquide (en milieu oxalique)Par la mthode de coprcipitationDans une solution aqueuse dacide oxalique sont incorpors les composs dans un certain ordre afin dobtenir un prcipit doxalates multiples. Aprs filtration, lavage et schage, le mlange est broy. Il est ensuite trait thermiquement pour le dcomposer 600C pendant 10h. Le produit subit un dernier traitement thermique, plus fort, 800C pendant 2hCe deuxime procd permet de limiter linfluence des conditions de frittage, dobtenir un compos avec une granulomtrie rgulire et une porosit rduite grce un traitement thermique avant frittage.Finalement, ce procd permettra de crer des cramiques lectrostrictives avec de meilleurs coefficients dlectrostrictions.Cependant, pour le moment nous navons que des cramiques dilectriques. En-dessous de la temprature de Curie, la structure provskite cre bien un moment dipolaire et donc un champ lectrique, mais si on regarde au niveau macroscopique, ces champs sont dsordonns et ne crent donc pas de polarisation.

Figure 5- Structure provskite du BaTiO3 selon un plan (1,0,0) au-dessus de T0 (a) et en-dessous de T0 (b)La Structure Provskite(Exemple avec du )

Au-dessus de la temprature de Curie, la structure provskite est cubique, latome de titane est centr (a), il nexiste alors aucun moment dipolaire.En-dessous de la temprature de Curie, la structure provskite se dforme trs faiblement pour passer une structure ttragonale. Latome de titane se retrouve alors dcentr (b), il y a cration dun moment dipolaire. Cest donc latome de titane (ou de zirconium dans dautres cramiques) qui va dcider de lorientation du moment dipolaire de la structure.

Figure 6- Etapes du "PolingProcess", avant (a), pendant (b) et aprs (c)Lobjectif est donc maintenant dordonner tous ces moments dipolaires. Pour cela, nous allons utiliser le Poling Process qui consiste appliquer un trs fort champ lectrique continu notre cramique afin dorienter tous les atomes de titane dans le mme sens.Le principe est donc trs simple; la suite de sa fabrication, notre cramique nest pas encore pizolectrique, ses moments dipolaires sont dsorganiss (a). On applique donc un champ lectrique constant trs fort dans la direction et le sens de polarisation souhaite. Les moments dipolaires sordonnent (b). On enlve alors le champ lectrique, la structure provskite se fige alors dans son tat. On obtient une polarisation spontane permanente.Bien quelle ne possde pas le mme nom, ou les mmes tapes, la fabrication des matriaux pizolectriques base de structures diffrentes suit la mme logique. Lobjectif est dordonner les moments dipolaires de chaque structure dans le sens et la direction voulus.

ElectrostrictionLlectrostriction est un phnomne prsent dans tous les matriaux dilectriques (amorphes comme cristalliss) mais en gnral faible. Elle est analogue leffet pizolectrique inverse, cest--dire que soumit un champ lectrique, le matriau dilectrique se dforme. Cependant, linverse na aucun effet; la dformation dun matriau dilectrique nentraine pas la formation dun champ lectrique. Il sagit par consquent dun phnomne lectro-actif. A lintrieur de ce matriau se trouve des domaines lectriques alatoirement rpartis. Sous laction dun champ lectrique chaque domaine se polarise selon laxe de champ. Suivant laxe du champ[footnoteRef:1], le matriau subit donc une dformation le rduisant tandis que, orthogonalement ce champ, le matriau sallonge. Cette dformation ne dpend donc pas du sens du champ lectrique mais seulement de sa direction. Celle-ci est proportionnelle au carr du module du champ lectrique. Cest donc un effet du second ordre. [1: Un champ lectrique est gnr par une diffrence de tension. Celui-ci part donc du ple positif pour aller vers le ple ngatif.]

Figure 7 - Dformations d'un matriau dilectrique subissant un phnomne d'lectrostrictionSoit x, le vecteur des dformations, Q (en ) le coefficient dlectrostriction de charge et P (en ) le vecteur de polarisation. La loi de comportement de notre matriau soumis un champ lectrique est donc:

A laide des symtries dans les structures cristallines, on peut simplifier la matrice Q et rduire ainsi le nombre de coefficient seulement trois qui permettent de relier la dformation au vecteur polarisation tels que: reprsente le coefficient dlectrostriction de charge longitudinal au champ lectrique. reprsente le coefficient dlectrostriction de charge transversal au champ lectrique. reprsente le coefficient dlectrostriction de charge de cisaillement.

Cependant la polarisation est directement lie au champ lectrique appliqu, on peut donc exprimer x en fonction de E (en ):

Avec: , la permittivit dilectrique du matriau (en ) , la permittivit dilectrique du videOn arrive donc :

Avec: M, le coefficient dlectrostriction de champ lectrique (en ),

Exemple des diffrents coefficients dlectrostriction pour le (Ba-Sr)PZT en fonction du mode de fabrication: Tc (C)C 105 (K)M11 10-16 (mV-2)M12 10-16 (mV-2)Q11 10-2 (m4C-2)Q12 10-2 (m4C-2)Qh 10-2 (m4C-2)

(Ba-Sr)PZTVS110 par voie solide7129,6-42,1-0,90,3

VL779 par voie liquide692,216,5-73,2-1,40,4

Contrainte de MaxwellTout comme l'lectrostriction dont la contrainte est proportionnelle au carr de la force du champ lectrique, il existe un phnomne lectromcanique dont la contrainte induite est aussi proportionnelle la force du champ lectrique. On nomme cette contrainte induite la contrainte de Maxwell. Ngligeable dans d'autres matriaux, elle peut tre importante dans les lastomres de polymre mous.Dans les matriaux dilectriques, cette contrainte peut s'crire sous la forme :

Avec = 1 quand i = j et = 0 sinon le champ lectrique (en ) la densit de charge (en ) la contrainte (en ) On a pu exprimer la contrainte en fonction du champ lectrique, on peut donc aussi exprimer la dformation de notre matriau en fonction du champtel que :

Avec: , la raideur de notre matriau (en ) On remarque que la dforme selon Maxwell ressemble bel et bien lexpression de llectrostriction: Cas particulier pour des films dilectriques:

Avec: d0 l'paisseur initiale (en m) d l'paisseur finale (en m) Y le module de Young (en Pa) V la tension (en V)Gnralement ngligeable, il a t montr que pour un film dilectrique isotrope[footnoteRef:2], la dformation de lpaisseur pouvait atteindre prs de 40% de sa valeur initiale rien quavec la contrainte de Maxwell. [2: Lisotropie caractrise linvariance des proprits physiques dun milieu en fonction de la direction]

La PizolectricitLa Pizolectricit est une proprit que peuvent possder certains corps se polariser lectriquement sous laction dune contrainte mcanique et inversement se dformer sous laction dun champ lectrique. Ces deux effets sont indissociables et sont nomms respectivement Effet PizolectriqueDirect et Effet Pizolectrique Inverse.

Aspect HistoriqueVers le milieu du XVIIIme sicle, Carl Linnaeus et Franz Aepinus tudirent leffet pyrolectrique[footnoteRef:3]. En se basant sur cette tude, Ren Just Hay et Antoine Csar Becquerel posrent le postulat quil existerait aussi une relation entre une contrainte mcanique et un champ lectrique. La premire dmonstration de leffet pizolectrique direct se fit en 1880 par les frres Pierre et Jacques Curie sur des cristaux de tourmaline, de quartz, de topaz et de Sel de Rochelle. Un an plus tard, Gabriel Lippmann dmontra leffet pizolectrique inverse. [3: La pyrolectricit est une proprit que peuvent possder certains matriaux se polariser en rponse un changement de temprature et vice-versa. A ne pas confondre avec leffet thermolectrique o une temprature fixe donne naissance une tension permanente, leffet pyrolectrique est particulirement utilis dans les dtecteurs infrarouges.]

Ce nest cependant qu partir de la fin de la premire guerre mondiale que les matriaux pizolectriques commencrent vritablement tre utiliss des fins industrielles. Ce succs est d au dveloppement du premier sonar, compos de lames de quartz colles entre deux plaques dacier et dun hydrophone, par Paul Langevin durant la premire guerre mondiale. Cet engouement permis la mise au point, au dbut des annes 1920, du premier oscillateur quartz par Walter Cady ouvrant la voie au contrle de frquence.Cependant, jusqu prsent les "rendements" de la conversion dnergie mcanique en nergie lectrique et vice-versa de ces matriaux pizolectriques taient trs faibles. Pendant la seconde guerre mondiale sont alors dcouvertes les proprits pizolectriques des cramiques de synthse. Les proprits lectromcaniques de ces nouveaux matriaux sont alors bien meilleures que celles des cristaux naturels. Une nouvelle tape est franchie au dbut des annes 1980 avec la synthse de nouveaux cristaux PZT-PT et PMN-PT qui encore une fois ont des proprits plus leves. Aujourdhui la recherche sur les matriaux pizolectriques continue mais la situation na pas connue dnormes changements depuis.

Leffet pizolectrique est un effet lectromcanique linaire ola dformation mcanique (S) ainsi que la contrainte mcanique (T) sont fonctions du champ lectrique (E) ou de la densit de charge Electrique (D) :

Effet Pizolectrique Direct: Effet Pizolectrique Inverse:

Avec d le coefficient Pizolectrique du matriau en mtres par volt (m/V) ou en coulomb par Newton (C/N).En ajoutant llasticit du matriau (Loi de Hooke) ainsi que la relation dilectrique et en mettant ce systme sous sa forme tensorielle on obtient:Effet Pizolectrique Direct: Effet Pizolectrique Inverse:

Avec: La constante pizolectrique du matriau exprime en La raideur du matriau exprime en

Avec: le Module dlasticit (Module de Young)

La permittivit dilectrique du matriau exprime en

Avec: La permittivit relative La permittivit dilectrique du vide:en

i, j = 1,2,,6 et m, k = 1, 2, 3Les indices E et Tfont rfrence aux conditions pour lesquelles on a mesur ces valeurs. [footnoteRef:4] [4: Bas sur LIEEE standard of Piezoelectricity, on se place dans lhypothse o les matriaux pizolectriques suivent une loi du comportement linaire. Cest--dire quon se place champ lectrique et contraintes constantes trs faibles.]

Dfinition de laxe PolaireLorsquun matriau pizolectrique est soumis un champ lectrique E, une polarisation P (C/m) apparait suite une nouvelle distribution des charges.Cette polarisation, peut scrire:

Avec:, la susceptibilit dilectrique (sans unit), le champ lectrique dans la direction i (en V/m)Laxe polaire reprsente laxe de rotation dordre infini, cest--dire que les proprits dilectriques restent inchanges pour une rotation dangle quelconque autour de cet axe.Par convention, on dfinit la direction de laxe polaire comme celle de laxe 3.

Simplification grce la symtrie CristallineDans le cas dun matriau pizolectrique polaris (existence de laxe polaire), grce la symtrie du cristal[footnoteRef:5], on peut rduire trs fortement le nombre de constantes dilectriques et pizolectriques: [5: Leffet Pizolectrique ne peut pas exister dans les matriaux possdant une antisymtrie. En fait, sur les 32 "classes of crystal point symmetry groups", seulement 20 possde un effet pizolectrique. Dun autre ct, ils possdent tous un effet ferrolectrique.]

Modes de DformationEn fonction de la direction du champ lectrique et de la direction de la polarisation, les matriaux pizolectriques ne vont pas ragir de la mme faon si ces deux vecteurs sont colinaires ou non.On va ainsi distinguer plusieurs modes, nots mode iJ.O i reprsente la direction du champ lectrique (i = 1, 2, 3) et J reprsente la direction de la dformation mcanique (J = 1, 2, , 6).Suite la simplification et donc la rduction du nombre des constantes dilectriques et pizolectriques prcdente, on peut distinguer 3 modes: Le mode Longitudinale, not mode 33. On applique un champ lectrique dans la mme direction que laxe polaire et on obtient une dformation toujours dans la mme direction. Le mode Transversal, not mode 31. On applique un champ lectrique dans la direction 3, cest--dire dans la direction de laxe polaire, et on obtient une dformation orthogonale. Le mode de cisaillement, not mode 15. On applique un champ lectrique orthogonalement laxe polaire et on obtient une dformation autour de laxe 2.Il existe encore deux autres modes, le mode radial et le mode paisseur qui sont respectivement des cas particuliers des modes 33 et 31 pour des paisseurs trs faibles par rapport aux autres valeurs.Schmas des diffrents modes de dformations(Les surfaces grises reprsentent les lectrodes):

Figure 8 - Reprsentation schmatique des diffrentes modes de dformation suivant l'axe de polarisationCouplage de coefficient lectromcanique Il reprsente la capacit dun matriau pizolectrique transformer lnergie lectrique en nergie mcanique et vice-versa. Compris entre 0 et 1, il peut tre vu comme une sorte de rendement et est un lment essentiel afin de caractriser un matriau.Afin de dterminer ce coefficient, on applique une force llment pizolectrique tout en laissant ses bornes en circuit ouvert. Celui-ci va alors se dformer et cest cette dformation, note, que lon va mesurer.

Avec: F La force applique en Newton (N) Le travail mcanique cre par cette force en Joules (J)De plus, cause de leffet pizolectrique direct, on va assister un dplacement des charges dans le matriau. Cependant, le circuit tant ouvert, ces charges vont saccumuler aux lectrodes ce qui va crer une nergie potentielle lectrique note

Avec: Q La charge lectrique aux bornes des lectrodes en Coulomb (C) La capacit lectrique du matriau pizolectrique en Farad (F)On obtient:

On peut aussi crire en fonction des autres constantes pizolectriques tel que:

Quelques exemples de constantes pour certains matriaux pizolectriques types:MatriauCoeff. Pizolectrique Permittivit Relative KijModule d'Elasticit (GPa)Coeff. De Couplage Electromcanique

Quartz2,34,5800,1

BaTiO3 (Cramique)19017001060,52

PZT (45/55)140450710,22

LiNbO36302,450,17

PVDF13-2210-120.35-1.10,1-0,15

La ferrolectricit

Un peu dhistoireEn 1655, le premier ferrolectrique, le tartrate double de sodium et potassium hydrat, a t dcouvert pour ses vertus curatives. Ce nest que trs rcemment, depuis les annes 1950, suite la dcouverte doxydes ferrolectriques simples de structure provskite (BaTiO3, PbTiO3), que ltude de ces matriaux a dbut. De nos jours, ces matriaux sont trs exploits en microlectronique.DescriptionUn matriau est caractris de ferrolectrique sil possde une structure trs polarisable, non Centro symtrique et avec un champ lectrique local trs fort ltat spontan. Un champ lectrique extrieur peut cependant inverser son sens. Le cycle dhystrsis, polarisation en fonction du champ lectrique appliqu, met en vidence une polarisation rmanente et un champ coercitif[footnoteRef:6]. Ces matriaux ont une permittivit dilectrique relative trs leve de lordre de 103 104. Leurs proprits lectriques disparaissent au-del de la temprature de Curie ferrolectrique. En fonction du compos, cette transition peut se faire de faon brutale (1er ordre) ou douce (2nd ordre) en temprature. Ces proprits lectriques dpendent aussi de la pression. [6: Le champ coercitif est le champ minimal ncessaire linversion de polarisation]

La courbe dhystrsis de matriaux ferrolectriques ressemble celle de laimantation en fonction dun champ magntique dans les ferromagntiques ce qui lui a valu le nom de ferrolectrique.Figure 9 - Cycle d'hystrsis d'un matriau ferrolectrique

Avec: Ec: Champ coercitif Pr: Polarisation rmanente ou spontane sous champ nul PS Polarisation saturation sous champ lev AB, Courbe de premire polarisationPour des tempratures trs infrieures la temprature de Curie ou T0, Pr tend vers Ps.Au-dessus de la temprature de transition de phase T0, la polarisation rmanente et la pyrolectricit disparaissent. Le matriau passe de la phase ferrolectrique une phase lectrique ou dilectrique linaire.

Figure 10: BaTiO3: Transition de premier ordreLa transition 108C BaTiO3est celle dun cristal impur. Les cristaux plus purs ont des tempratures de phase de lordre de 130C. La mthode de fabrication est un facteur dcisif face la qualit dun cristal.

Figure 11:TGS: transition du second ordreLe TGS(?) a une polarisation 10 fois moins importante que celle du BaTiO3 et qui sannule de manire progressive lorsque la temprature atteint 49C.Ainsi on remarque quil existe des matriaux non ferrolectriques temprature ambiante.Lorsque la rgion dun cristal possde une polarisation homogne alors on parle domaine ferrolectrique. Ils sont spars par des parois de domaine. Ces domaines sont dterminants face aux proprits lectromcaniques du matriau. A chelle atomique, la polarisabilit plusieurs origines: elle peut tre soit lectronique lorsque elle est due au dplacement du nuage lectronique par rapport aux noyaux atomiques, soit ionique lorsque les distances entre ions de signes contraires varient, soit dipolaire lorsque les diples sorientent lorsquils sont soumis un champ malgr lagitation thermique. Il peut tre not que la vitesse de rponse un champ lectrique varie en fonction de ces diffrentes origines. Dans lordre croissant du temps de rponse, on retrouve les diples suivis des ions puis des lectrons. Echelle microscopiqueOn observe deux types de transition de phases chez les ferrolectrique:La transition ordre-dsordre o, dans la phase para-lectrique, lchelle de la maille du cristal, le compos est polaris. Cependant, dune maille lautre, le caractre de polarisation est compens par une polarisation inverse. Finalement, lchelle macroscopique, le matriau nest pas polaris. Au contraire, dans la phase ferrolectrique, les moments dipolaires des mailles sordonnent polarisant ainsi macroscopiquement le matriau.