Optimisation des propriétés de céramiques piézoélectriques sans plomb du type BCTZ par modification de la composition et par dopage. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Optimization of the properties of lead-free piezoelectric ceramics of the BCTZ type by composition modification and doping.

Optimisation des propriétés de céramiques piézoélectriques sans plomb du type BCTZ par modification de la composition et par dopage.

Résumé

Lead-free piezoelectric ceramics with Ba0.85Ca0.15Ti0.90Zr0.10 composition (BCTZ) are known for their high piezoelectric properties. However, they present relatively low Curie temperatures. Thus, this study focuses on the optimization of ceramic properties by fine variations of calcium (0.13 < x < 0.18) and/or zirconium (0.07 < y < 0.12) ratio around the composition (Ba0.85Ca0.15)(Ti0.90Zr0.10)O3 (x/y = 0. 10/0. 15) or by copper doping. By finely adjusting the zirconium content (y < 0. 10), it is possible to increase the d33 piezoelectric coefficient up to 410 pC/N on the one hand, or to increase the Curie temperature on the other hand, but remaining at temperatures below 100 °C. The effect of finely increasing the calcium content only allows the improvement of the piezoelectric coefficient, the Curie temperature being unaffected and close to 80 °C. In this study, the sintering temperature also allowed the improvement of the piezoelectric coefficient (391 pC/N versus 439 pC/N respectively for 1400 °C and 1450 °C). Subsequently, the work has been directed towards compositional variations around the best formulations found for y (0. 09 and 0. 07) and for x (0. 17), and focuses on the simultaneous variation of calcium and zirconium levels. The aim is to see if it is possible to cumulate the benefits on the piezoelectric characteristics of BCTZ ceramics already obtained. The simultaneous variation of the calcium and zirconium content allowed a clear improvement of the piezoelectric coefficient (420 pC/N) or of the Curie temperature (95 °C). However, the improvement of the Curie temperature is at the expense of the piezoelectric coefficient (223 pC/N). Finally, the second way of optimizing the properties of ceramics by doping is more exploratory. It deals with the study of the addition of a limited amount of copper (0. 5 at. %) to BCTZ ceramics by two ways: addition of copper from the synthesis by modifying the stoichiometry (doping) and addition of copper after calcination (sintering aid).
Les céramiques piézoélectriques sans plomb de formulation Ba0.85Ca0.15Ti0.90Zr0.10 (BCTZ) sont connus pour leurs propriétés piézoélectriques élevées. Cependant, leurs températures de Curie restent assez basses. Ainsi, cette étude se focalise sur l'optimisation des propriétés des céramiques par des variations fines des taux de calcium (0,13 < x < 0,18) et/ou de zirconium (0,07 < y < 0,12) ainsi que par dopage au cuivre autour de la composition (Ba0,85Ca0,15)(Ti0,90Zr0,10)O3 (x/y = 0,10/0,15). En jouant finement sur la diminution du taux de zirconium (y < 0,10), il est possible d'augmenter le coefficient piézoélectrique d33 jusqu'à 410 pC/N d'une part, ou d'augmenter la température de Curie d'autre part, mais en restant à des températures inférieures à 100 °C. L'effet d'une fine augmentation du taux de calcium permet uniquement l'amélioration du coefficient piézoélectrique, la température de Curie n'étant pas affectée avec une valeur proche de 80 °C. Dans cette étude, la température de frittage a également permis l'amélioration du coefficient piézoélectrique (391 pC/N contre 439 pC/N respectivement pour 1400 °C et 1450 °C). Par la suite, les travaux se sont orientés sur des variations de composition autour des meilleures formulations trouvées pour y (0,09 et 0,07) et pour x (0,17), et porte sur la variation simultanée des taux de calcium et de zirconium. L'objectif étant de voir s'il est possible de cumuler les bénéfices sur les caractéristiques piézoélectriques des céramiques BCTZ déjà obtenus. La variation simultanée du taux de calcium et de zirconium a permis une nette amélioration soit du coefficient piézoélectrique (420 pC/N) soit de la température de Curie (95 °C). En effet, l'amélioration de la température de Curie se fait au détriment du coefficient piézoélectrique (223 pC/N). Enfin, la deuxième piste d'optimisation des propriétés des céramiques par dopage est plus exploratoire. Elle traite de l'étude de l'addition d'une quantité limitée de cuivre (0,5 % at.) aux céramiques de BCTZ par deux voies : ajout de cuivre dès la synthèse en modifiant la stoechiométrie (dopage) et ajout de cuivre après calcination (aide au frittage).
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04030568 , version 1 (15-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04030568 , version 1

Citer

Blandine Fontaine. Optimisation des propriétés de céramiques piézoélectriques sans plomb du type BCTZ par modification de la composition et par dopage.. Matériaux. Université Polytechnique Hauts-de-France, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPHF0033⟩. ⟨tel-04030568⟩
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