Etude et réalisation de sources acoustiques de puissance en composite piézoélectrique 1.3 pour appliquations

Lee Hwa-Sun

Description

Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3 IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3 Dans cette partie, la distribution du plan d’expérience retenue pour la caractérisation à haut niveau de sollicitation sera décrite. Les matériaux, les fractions volumiques, les détails de l’usinage des barreaux et des disques de composite seront décrits. La nomenclature des différents transducteurs réalisés sera également précisée. IV.1. Constitution et configurations retenues A partir des composants dont la sélection a été justifiée dans le chapitre III, 6 séries de composites 1.3 ont été fabriquées. Pour chaque série, des transducteurs prototypes de 30, 40 et 50 % de fraction volumique de PZT ont été réalisés. Dans le Tableau IV-1 ci dessous, le plan d’expérience suivi dans la distribution des prototypes est décrit. Tableau IV-1. Combinaison des constituants dans les composites construits. PZT Nomenclature Série Polymère(Fraction Volumique) Résine 1P189R1 R1-30, R1-40, R1-50 P189 Résine 2P189R2 R2-30, R2-40, R2-50 (30, 40, 50 vol.%) Résine 3 P189R3 R3-30, R3-50 Résine 1C213R1 CR1-30, CR1-50 C213 C213R2 CR2-30, CR2-50 Résine 2(30, 50 vol%) C213R3 CR3-30, CR3-50 Résine 3 69Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3 IV.2. Conditions de fabrication La technique de fabrication utilisée dans cette étude est la méthode "dice and fill" [40 ]. Elle ...

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Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

IV. Fabrication piézocomposite 1.3

des

transducteurs

acoustiques

en

Dans cette partie, la distribution du plan d’expérience retenue pour la caractérisation à haut niveau de sollicitation sera décrite. Les matériaux, les fractions volumiques, les détails de l’usinage des barreaux et des disques de composite seront décrits. La nomenclature des différents transducteurs réalisés sera également précisée.

IV.1. Constitution et configurations retenues

A partir des composants dont la sélection a été justifiée dans le chapitre III, 6 séries de composites 1.3 ont été fabriquées. Pour chaque série, des transducteurs prototypes de 30, 40 et 50 % de fraction volumique de PZT ont été réalisés. Dans le Tableau IV1 ci dessous, le plan d’expérience suivi dans la distribution des prototypes est décrit.

Tableau IV1. Combinaison des constituants dans les composites construits.

Série

P189R1

P189R2

P189R3

C213R1

C213R2

C213R3

PZT

(Fraction Volumique)

P189

(30, 40, 50 vol.%)

C213

(30, 50 vol%)

Polymère

Résine 1

Résine 2

Résine 3

Résine 1

Résine 2

Résine 3

69

Nomenclature

R130, R140, R150

R230, R240, R250

R330, R350

CR130, CR150

CR230, CR250

CR330, CR350

Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

IV.2. Conditions de fabrication

La technique de fabrication utilisée dans cette étude est la méthode"dice and fill"

[40]consiste à isoler par découpe dans un bloc de céramique polarisée des. Elle barreaux carrés reliés par une extrémité à la semelle restante de céramique. Après enrobage dans une résine polymère, le bloc est tronçonné de manière à ne laisser que des barreaux parallèles isolés dans la résine. Les différents étapes de la fabrication sont illustrées dans la Figure IV1. Le bloc de céramique PZT de départ (50 x 25 x 6mm) a été découpé pour obtenir des barreaux identiques et isolés les uns des autres. La hauteur des barreaux est égale à l’épaisseur du transducteur défini par les fréquences de fonctionnement, soit environ 3mm pour des fréquences de résonance de 500 ou 600 kHz. Le dimension latérale et le pas de découpe ont été fixés afin d’assurer la fraction volumique souhaitée, mais également afin de repousser le plus haut possible les fréquences des modes supérieurs associés à la périodicité de la structure du matériau[11].

Cela se traduit par le choix d’un facteur de forme élevé de l’ordre de 3.5∼4.7 (ce facteur de forme est le rapport de la hauteur au coté du barreau). Dans les conditions choisies, les déplacements des phases, céramique et polymère sont très proches assurant un mode épaisseur pratiquement idéal. Cela se traduit en particulier comme on le verra plus loin par un diagramme de directivité très proche

d’un piston idéal. Les sollicitations mécaniques alors subies par les deux phases consistent essentiellement en de la tractioncompression pure. Ceci rend les hypothèses du modèle d’homogénéisation parallèle (iso déformation) valables [43], pour le calcul des propriétés du composite y compris les pertes. En effet seuls les modules longitudinaux complexes des deux constituants ont été mesurés et sont considérés dans le modèle.

Une fois le bloc de céramique usiné, il est disposé dans un moule en silicone puis enrobé avec la résine polymère. A ce stade de la fabrication, la réticulation n’est réalisée qu’à basse température (80°C pour les résines 1 et 2 et 60°C pour la résine 3) afin d’éviter des déformations en flexion trop importantes du sandwich base de céramique restante / composite. On remarque toutefois que le socle de matériau en

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Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3 acier sur lequel la céramique brute est préalablement attachée apporte à ce niveau sa contribution à la rigidité de l’ensemble.

Une fois cette première réticulation réalisé, le bloc de composite alors obtenu est démoulé. Il est ensuite tronçonné à la cote qui permet d’obtenir la fréquence de résonance souhaitée. Puis, deux disques de 22 mm de diamètre sont réalisés sur une rectifieuse cylindrique. Les disques de composite subissent ensuite le traitement thermique de réticulation final selon les conditions décrites dans le chapitre III. Les transducteurs sont enfin totalement cuivrés selon un procédé de dépôt chimique dans une solution de cuivre. Afin d’obtenir une électrode de masse enveloppante, qui permet de ramener toutes les connexions sur la face arrière du transducteur (Figure IV2), une électrode circulaire de 20mm de diamètre est détourée sur la face arrière limitant ainsi la portion active du matériau utilisé et donc la taille de l’émetteur à 20mm de diamètre (soit une surface de 3.14cm²).

Les étapes de fabrication des disques de composite sont résumées et illustrées sur la Figure IV1. La céramique brute est collée sur une plaque support de manutention (1). La céramique est montée sur la tronçonneuse semiautomatique TS33 grâce à un plateau magnétique (2). Le découpage des barreaux est réalisé avec des disques résinoides (Thermocarbon). Après usinage l’ensemble est nettoyé au trichloréthylène pendant 30 minutes dans un bac à ultrasons (3). Le squelette de céramique disposé dans le moule est ensuite étuvé afin de sécher complètement l’ensemble (4). La résine est coulée puis l’ensemble porté à l’étuve pour la pré réticulation (5). La plaque composite est alors tronçonnée sur une tronçonneuse TS23, la pièce alors maintenue par une ventouse électromagnétique (6). Deux disques de composite sont découpés dans la plaque de composite puis rectifiés (78). La réticulation est alors complétée par un traitement thermique jusqu’à 120°C (pendant 3 heures pour résines 1 et 2) ou 180°C (2 h à 120°C suivies de 2 h à 180°C pour la résine 3).

Une fois réalisés les transducteurs sont caractérisés en terme de masse volumique, de caractéristiques diélectriques et électromécaniques sur les modes épaisseur et radial.

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Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

IV.2.1. Réalisation des sources acoustiques

Les composites réalisés seront testés sous charge dissymétrique avec un “backing” à air et une face rayonnant dans l’eau. Ils sont montés dans la cellule d’essai qui permet d’assurer l’alimentation et la mesure de température tout en maintenant la face arrière libre et en plaçant la face émettrice dans l’eau et au centre d’un baffle plan. Afin d’assurer leur montage les disques de composite sont installés dans un flasque en duralumin représenté Figure IV2. Le disque de composite 1.3 est tenu par un moulage en polyuréthane (Excel UR3450) de 1mm d’épaisseur sur toute sa surface latérale. Les connexions électriques sont simplement soudées à l’étain, directement sur la face mais au bord de la zone métallisé pour le potentiel alimentation, sur la surface latérale pour la masse électrique. Ceci évite tout défaut sur la face parlante du transducteur. Enfin une couche de vernis silicone isolant (vernis de passivation de circuits imprimés) est utilisé pour passiver la face avant et assurer son isolement électrique.

1

2

3

PZT

4

5

6

10

7

8

9

Figure IV1. Procédure de fabrication des disques de composites 1.3 par la méthode « Dice and Fill ».

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Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

Electrode 1

Electrode 2

 (a)

Fils de masse

 Flasque (duralumin)

Electrode 1

Potentiel d'alimentation

Fils d'alimentation du transducteur

Electrode

Composite Couronne de Polyuréthanne

32.5 mm

Figure IV2. Schéma des transducteurs. (a) Isolation des électrodes (b) Structure de transducteur

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Couche de vernis silicone isolant

Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

IV.3. Cellule d’essai

IV.3.1. Description

Pour réaliser les mesures acoustiques dans l’eau, nous avons conçu la cellule d’essai représentée sur la Figure IV3 et 4. Celleci est étanche de manière à réaliser le “backing” à air.

Egalement, afin de mesurer la température des composites directement au cours du fonctionnement, nous avons installé un capteur de température (pyromètre) qui permet de mesurer la température locale sans contact au centre de la face arrière du transducteur. Cette dernière est habituellement le point chaud du transducteur puisque aucun échange direct par conduction n’est assuré dans cette région.

Figure IV3. Vue d’ensemble de la cellule d’essai

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Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

Figure IV4. Schéma détaillé de la cellule d’essai.

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Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

IV.3.2. Mesure de température

Le capteur de température utilisé est un pyromètre miniature de type MID 10 de

Raytek. C’est un capteur infrarouge centré sur la bande 814µm. La gamme de mesure est de 40°C à 500°C avec une résolution de ±0.1°C et une précision de ±0.1%. Il est monté directement dans le capot arrière de la cellule d’essai et permet de viser directement la face arrière du transducteur. Sa position et son ouverture (1:10) lui permettent de donner la température moyenne d’une tache de 5mm de diamètre centrée sur la face arrière du piézocomposite.

La principale difficulté a consisté en l’étalonnage des emissivités des divers matériaux qui étaient susceptibles d’être visés par le pyromètre (électrodes). Cet étalonnage a été réalisé en régime établi entre une mesure par thermocouple et une mesure par pyromètre de la température d’un échantillon. La Figure IV4 illustre le montage expérimental utilisé et la Figure IV5 montre les mesures obtenues dans le cas d’une couche de cuivre. L’emissivité du cuivre a ainsi été identifiée à 0.38. Le Tableau IV2 résume les emissivités déterminées pour les divers matériaux utilisés ici.

Pyromètre MID.10

Support

~5cm

Chaufferette

Thermocouple

Bloc métallique

Echantillon de matériau a été logé

Figure IV5. Etallonage de l’émissivité du capteur thermométrique avec un thermocouple.

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Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

40 60 Temps (minute)

Matériau

Couche d’argent à froid

Epoxy(Résine 1)

Couche d’argent à froid

Emissivité optimisée

Référence

80

Figure IV6. Comparaison des témpératures mesurées par le capteur thermométrique et le thermocouple pour une couche de cuivre (émissivité identifiée à 0.38). Tableau IV2. Emissivités déterminées pour plusieurs type de surface visée.

100

Traité à la température ambiante

Traité à 120°C

80

20

40

60

20

0 0

Commentaire

Couche de Cuivre

0.98



Peinture Noir Mate



0.38

0.95

0.95

(valeur recommandée)

0.2

77

0.38

Electrode des échantillons

100

PZT(P189)

Emissivité=0.38 140 Thermocouple 120 Pyromètre

T Densité ε 33 f s f p * 3 k t tanδ d tanδ m ** (kg/m ) (F/m) (Hz)(Hz) 3619,48 4,11E09 524314,4 627951,9 0,590 4,97E03 1,51E2 3525,99 4,08E09 523615,7 629806,1 0,595 5,85E03 1,40E2 3940,80 4,47E09 509866,8 606939,3 0,582 7,05E03 1,52E2 3970,98 4,55E09 508470,2 607385,4 0,586 7,40E03 1,45E2 4516,04 5,57E09 511948,8 615350,9 0,594 4,67E03 9,21E3 4479,21 5,51E09 511804,1 616378,4 0,597 4,50E03 9,32E3 3518,73 3,85E09 543342,2 631552,8 0,549 4,64E03 1,03E2 3498,46 3,87E09 544408,0 630242,5 0,543 4,93E03 1,20E2 4097,84 4,60E09 505396,0 605742,2 0,591 8,64E03 1,21E2 4242,76 4,81E09 506601,3 610780,6 0,598 9,08E03 1,15E2 4536,92 5,64E09 508128,9 616470,9 0,605 4,32E03 1,15E2 4478,66 5,71E09 510678,7 621531,1 0,609 4,458E3 8,99E3 3524,24 4,04E09 519488,4 619519,9 0,584 6,37E03 1,22eE2 3442,73 4,03E09 512887,0 613157,0 0,587 6,07E03 1,21E2 3795,67 5,62E09 612918,0 739110,9 0,598 4,374E3 1,30E2 3813,47 5,64E09 611897,5 736684,1 0,596 4,464E3 1,21E2 4837,80 7,53E09 584350,4 714750,1 0,615 4,108E03 1,08E2 4834,31 7,61E09 579760,8 706823,2 0,611 4,144E03 9,29E3 3718,00 5,22E09 601710,5 723746,6 0,595 4,348E03 7,42E3 3719,95 5,29E09 600740,2 723253,1 0,596 4,236E03 7,85E3 4755,46 7,31E09 585441,4 715893,5 0,615 4,103E03 5,30E3 3808,39 5,72E9 624093,6 744202,2 0,584 4,7003 9,19E3 3765,26 5,66E9 624812,1 747275,8 0,588 4,85E03 8,54E3 4536,47 7,41E9 598179,4 715928,4 0,589 7,83E03 9,793

Le Tableau IV3 résume les propriétés electromécaniques dans l’air à bas niveau

3,18×φ20,04

3,28×φ22,02

3,28×φ22,02

3,18×φ22,04

3,22×φ22,02

3,20×φ21,62

30

40

40

50

50

30

30

R1301 R1302 R1401 R1402 R1501 R1502 R2301 R2302 R2401 R2402 R2501 R2502 R3301 R3302

NOM

50

30

30

CR1301 CR1302 CR1501 CR1502 CR2301 CR2302 CR2501 CR3301 CR3302 CR3501

2,82×φ22,02

50

30

50

2,70×φ22,00

2,84×φ22,04

2,70×φ22,00

2,82×φ22,00

2,66×φ22,00

haut (600 kHz environ) à cause d’une erreur de tronçonnage systématique.

3,34×φ22,04

3,12×φ22,04

3,16×φ22,02

2,66×φ22,00

3,20×φ22,00

3,30×φ22,04

3,16×φ22,04

3,10×φ22,02

3,14×φ22,04

Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

IV.4. Conclusion

du P189 résonent autour de 500 kHz. Ceux construits avec du C213 résonent plus

Tableau IV3. Transducteurs réalisés dans ce travail (mesure dans l’air).

Dimension (mm)

concernant les différents transducteurs construits. Les transducteurs construits avec

* à 1 kHz, ** à la résonance en épaisseur

78

PZT %

2,78×φ22,00

2,60×φ22,00

2,62×φ22,00

Chapitre IV. Fabrication des transducteurs acoustiques en piézocomposite 1.3

Ces transducteurs ont été caractérisés dans l’air à bas niveau, puis dans l’eau à bas puis haut niveau avec la cellule d’essai. Les résultats dans l’eau seront présentés au chapitre VII. Au total un vigtaine de transducteurs auront été construits

et évalués.

79