Caractérisation des propriétés électro-acoustiques de structures piézoélectriques soumises à une contrainte statique de type électrique ou mécanique
Characterization of electro-acoustic properties of piezoelectric structures under static electrical or mechanical stress
Résumé
Used in many domains, piezoelectric materials are frequently submitted to external or internal stresses which modify their properties. In order to prevent and anticipate these modifications, this work studies the properties of piezoelectric materials under static electrical or mechanical stress. First, the motion equations of a piezoelectric (non hysteretic) material are developed at the second order taking to account the static strain (caused by the stress) and the dynamic ones (caused by the propagation of an elastic wave). The numerical study of plane wave velocities and coupling coefficients is performed on lithium niobate, in different cuts and different coordinate systems (natural and static). Then, we evaluate in which configurations the application of an electrical or mechanical stress improves or degrades the material properties. In a second part, the hysteretic behaviours of piezoceramic materials under electrical and mechanical stresses are characterized by modelling the evolutions of microscopic remanent polarization and strains through the movements of domain walls. Numerical results are compared to evolutions of 4 piezoceramics from the literature. It allows us to define the validation domain of our hypothesis and to explain hysteretic behaviours of soft and hard piezoceramics. The study of the material constant evolutions shows characteristic behaviours of the different types of piezoceramics, as well as the advantages and limitations of our model. In the last part, an experimental device to measure strains (longitudinal and transversal) and electrical displacements is developped. Measurements are made on lithium niobate and on two piezoceramics (Pz21, a soft composition and Pz26, a hard one) under mechanical stress. Results allow study on lithium niobate to be planned and bring a better understanding of transversal strain evolutions in piezoceramics.
Utilisés dans de nombreux domaines, les matériaux piézoélectriques sont régulièrement soumis à des sollicitations externes ou internes qui modifient leurs propriétés. Dans le but de prévoir et d'anticiper ces altérations, ce travail étudie les propriétés de matériaux piézoélectriques soumis à une contrainte statique de type mécanique ou électrique. Dans un premier temps, nous développons les équations du mouvement d'un matériau piézoélectrique (non hystérétique) au second ordre, en tenant compte à la fois des déformations dynamiques occasionnées par le passage de l'onde, mais aussi des déformations statiques concomitantes à la présence de contraintes. L'étude numérique des vitesses en onde plane et du coefficient de couplage est faite sur un matériau de référence (le niobate de lithium), dans différents plans de coupe et dans les différents systèmes de coordonnées (naturel et prédéformé). Ainsi, on évalue dans quelles configurations l'application d'une contrainte externe de type électrique ou mécanique améliore ou dégrade les propriétés du matériau. Dans une seconde partie, nous caractérisons les comportements hystérétiques de piézocéramiques sous contrainte (uniaxiale) mécanique et électrique en modélisant l'évolution des polarisations et déformations rémanentes microscopiques via les mouvements de murs de domaines. La comparaison des résultats numériques avec des évolutions issues de la littérature de 4 piézocéramiques nous permet de définir le domaine de validation de nos hypothèses et d'expliciter les comportements hystérétiques de piézocéramiques dites " dures " et " molles ". L'étude de l'évolution des constantes du matériau a permis de mettre en avant des comportements propres aux différents types de piézocéramiques ainsi que les avantages et limites de notre modèle. Dans une dernière partie, nous mettons en place un dispositif expérimental de mesure de déformations (longitudinale et transversales), ainsi que du déplacement électrique de deux piézocéramiques (une molle, le Pz21, et une dure, le Pz26) et du niobate de lithium sous contrainte mécanique (uniaxiale). Ces résultats nous ont permis de dimensionner notre étude sur le niobate de lithium et apportent une meilleure compréhension de l'évolution des déformations transversales dans les piézocéramiques.