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

Lee Hwa-Sun

Description

VIII. Conclusion et perspectives Dans cette étude, 6 séries de transducteurs composites 1.3 ont été fabriquées en utilisant divers types de PZT et de résines époxy puis caractérisées dans la gamme de fréquence de 500 à 630 kHz. Les céramiques utilisées sont des matériaux PZT de puissance (Navy III) de type P189 (Saint-Gobain Quartz) et C213 (Fuji Electroceramics). Les polymères utilisés sont 3 différentes résines époxydes à température de transition vitreuse élevée. Ces divers constituants ont été caractérisés en terme de pertes mécaniques et de variation de ces dernières en fonction de la température. Les deux PZT retenus présentent de faibles pertes mécaniques et qui évoluent peu en fonction de la sollicitation mécanique. De plus elles n’augmentent pas exagérément non plus au cours de traitements thermiques n’excédant pas 160°C dans le cas du P189 et jusqu’à 200°C dans le cas du C213. Pour les polymères, nous avons également comparé les pertes mécaniques des diverses résines candidates ayant un T > g100°C en utilisant une méthode de résonance d’une poutre de composite 1.3 à basse fraction volumique de PZT et vibrant en mode latéral. Nous avons alors sélectionné 3 produits : La résine 1 qui présente un comportement très intéressant, puisque les pertes mécaniques qui sont de l’ordre de 3.5% à l’ambiante diminuent en fonction de la température jusqu’à 130°C ( ≅ 1.5%) après une réticulation à 120°C. La résine 2 a de plus faibles pertes ...

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VIII. Conclusion et perspectives

VIII. Conclusion et perspectives

Dans cette étude, 6 séries de transducteurs composites 1.3 ont été fabriquées en utilisant divers types de PZT et de résines époxy puis caractérisées dans la gamme de fréquence de 500 à 630 kHz.

Les céramiques utilisées sont des matériaux PZT de puissance (Navy III) de type P189 (SaintGobain Quartz) et C213 (Fuji Electroceramics).Les polymères utilisés sont 3 différentes résines époxydes à température de transition vitreuse élevée.Ces divers constituants ont été caractérisés en terme de pertes mécaniques et de variation de ces dernières en fonction de la température.Les deux PZT retenus présentent de faibles pertes mécaniques et qui évoluent peu en fonction de la sollicitation mécanique.De plus elles n’augmentent pas exagérément non plus au cours de traitements thermiques n’excédant pas 160°C dans le cas du P189 et jusqu’à 200°C dans le cas du C213.Pour les polymères, nous avons également comparé les pertes mécaniques des diverses résines candidates ayant un T g > 100°C en utilisant une méthode de résonance d’une poutre de composite 1.3 à basse fraction volumique de PZT et vibrant en mode latéral. Nous avons alors sélectionné 3 produits : La résine 1 qui présente un comportement très intéressant, puisque les pertes mécaniques qui sont de l’ordre de 3.5% à l’ambiante diminuent en fonction de la température jusqu’à 130°C (≅ 1.5%)après une réticulation à 120°C. La résine 2 a de plus faibles pertes mécaniques à température ambiante (≅ 2.5%) après une réticulation dans les mêmes conditions (120°C) toutefois dans ce cas, les pertes augment graduellement en fonction de la température.La résine 3 aussi a été utilisée en raison d’une bonne stabilité des pertes mécaniques avec la température jusqu’à 150°C.Elle nécessite toutefois un cycle de réticulation avec un traitement thermique jusqu’à 180°C.

Afin d’interpréter des mesures anormales de permittivité dans le cas des composites construits avec des cycles de réticulation à haute température, des contraintes thermomécaniques ont été mises en évidence expérimentalement et théoriquement dans les barreaux de PZT d’un composite 1.3 et 2.2.Ces contraintes qui sont figées dans les barreaux de céramique du composite se développent au cours du refroidissement après la réticulation.Elles sont principalement dues à la grande différence du coefficient de dilatation thermique entre le PZT et le polymère.

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Il a également été mis en évidence expérimentalement que ces contraintes statiques dans la direction de polarisation de la céramique piézoélectrique peuvent modifier l’état de polarisation du matériau et aller jusqu’à la dépolarisation, en particulier dans le cas des PZT doux.

En relation avec ces contraintes, nous proposons l’hypothèse selon laquelle la variation de cette contrainte, en modifiant l’état d’équilibre des murs de domaine peut entraîner une augmentation des pertes du PZT.Une mesure de l’évolution des pertes mécaniques d’un résonateur de type disque en composite en fonction de la température nous a permis d’identifier l’évolution des pertes de la céramique par homogénéisation inverse.Selon notre hypothèse et en utilisant le modèle thermomécanique pour établir la correspondance entre variation de contrainte et variation de température, nous avons pu déduire l’évolution des pertes mécaniques du PZT en fonction de la variation de contrainte subie.

L’existence et la quantification des précontraintes dans les composites construits est alors un point très important à considérer pour interpréter les comportements et les limites des transducteurs composites de puissance car la température de fonctionnement des transducteurs composites augmente en fonction de la densité de puissance convertie à cause des pertes dans le transducteur.Par conséquent, les contraintes vont se relaxer graduellement au cours de l’échauffement. L’augmentation des pertes mécaniques du PZT dans le composite due à la variation de la précontrainte subie dans le composite peut ainsi être une limite pour le fonctionnement du composite en engendrant un phénomène d’avalanche thermique. Celle ci serait due à l’augmentation des pertes dans le PZT et non plus à l’augmentation des pertes dans la résine.

Les performances des transducteurs réalisés ont été caractérisées dans l’eau autour de leur fréquence de résonance et en fonction de la puissance à la résonance.

Tout d’abord, sous bas niveau de sollicitation, nous avons pu confirmer que les transducteurs composites ont pu être fabriqués avec une bonne reproductibilité d’après les sensibilités et les bandes passante mesurées.Les diverses propriétés présentent une faible dispersion entre elles et un bon accord avec les résultats précédents à part les effets de contrainte commentés cidessus.

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Ensuite les transducteurs ont été caractérisés en régime isotherme, c’est à dire sous faible puissance moyenne, en maintenant un petit rapport cyclique d’émission (1%) et en augmentant la puissance instantanée consommée jusqu’à 50 W/cm², soit des puissances déjà compatibles des applications de lithotritie.La limite nous a dans ce cas été imposée par notre instrumentation et dans l’objectif de ne pas dégrader les sources afin de pouvoir ensuite étudier le régime onde pleine.Il a ainsi été établi que les transducteurs construits ont supporté dans leur grande majorité de tels niveaux. Rappelonsde plus que dans le cas des composites à 30% de PZT un tel niveau correspond à une densité de puissance de 150W/cm² ramené au matériau céramique piézoélectrique.Les performances et le rendement dépendent toutefois fortement du PZT utilisé.Pour la P189 plus stable, le type de résine polymère a une réelle importance et l’usage de la résine 2 permet de maintenir le rendement autour de 90%.Par contre, dans le cas du PZT C213 moins stable, l’effet du type de résine est moins important.En ce qui concerne l’usage de la résine 3 réticulée à haute température les résultats sont, contrairement à nos attentes initiales, toujours moins bons. Laprincipale différence est dans ce dernier cas la forte température de réticulation de la matrice.Or, conformément à nos observations une telle température induit de très fortes contraintes de compression uniaxiale des barreaux. Une telle contrainte serait par conséquent de nature à augmenter la sensibilité du transducteur à la contrainte dynamique, ce qui se traduit par l’augmentation des pertes du PZT et à une chute du rendement pour les fortes déformations.

Tous les transducteurs composites construits ont ensuite été testés sous forte puissance moyenne en alimentant le transducteur par des trains d’onde longs.La puissance instantanée est fixée à 20W/cm², la puissance moyenne est graduellement augmentée en faisant varier la durée d’émission jusqu’au cas d’émission en continu. Ensuite, en restant en régime onde pleine la puissance est augmentée jusqu’à 40W/cm². Cettedernière série de mesure n’a été réalisée que pour les transducteurs à base de P189 qui avaient déjà démontré une excellente stabilité jusqu’à 20 W/cm². Dans ces cas, la destruction des composites par élévation brutale de la température a été observée et analysée.Selon l’hypothèse proposée, celle ci peut être interprétée par une augmentation des pertes mécaniques du PZT provoquée par la relaxation de la précontrainte dans le barreau due à l’échauffement.L’échauffement d’un composite est lié essentiellement aux pertes mécaniques de la résine dans le

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cas où celles du PZT restent faibles (composites à base de PZT P189).En revanche, si la température des composites augmente de manière à ce que la variation de contrainte puisse provoquer une augmentation des pertes mécaniques du PZT, il y aura une avalanche thermique dans le composite.La température d’avalanche thermique ne serait donc pas liée dans ce cas à la température de transition vitreuse de la résine qui intervient à de plus hautes températures pour les résines sélectionnées.

En raison d’un meilleur refroidissement et de plus faibles contraintes statiques et donc de plus faibles variations de la précontrainte, les transducteurs composites à 50% de PZT P189 présentent les meilleurs rendements,une meilleure stabilité et des échauffements moindres pour de plus fortes densités de puissance.En ce qui concerne la gamme de température de fonctionnement, les transducteurs composites (R130) à base de résine 1 en particulier dont les pertes mécaniques ont tendance à chuter avec la température ont pu fonctionner jusqu’à environ 100°C. Enfin, le transducteur à base de 50% de PZT P189 et de résine 1 a permis d’atteindre des densités de puissance moyenne de 40 W/cm² à 500 kHz sur plusieurs minutes sans destruction du transducteur quifonctionnait en refroidissement naturel (convectif simple sur la face émettrice).Ceci représente près de 115 W rayonnés par un transducteur de seulement 2 cm de diamètre et pour une température de 65°C en régime permanent sans refroidissement forcé.

Les résultats de cette étude nous montrent, outre que l’on ait pu atteindre largement les objectifs visés, les critères spécifiques de choix des phases actives et passive. Ence qui concerne la phase passive, le choix consiste à repousser au delà de 120°C la température de transition vitreuse tout en maintenant une faible température de réticulation.Bien évidemment, de faibles pertes mécaniques sont fondamentales. Lesrésines 1 et 2 de ce point de vue répondent bien au problème. L’utilisation de formulations spécifiques qui permettraient d’abaisser la température de réticulation serait clairement un avantage en limitant les effets de contrainte.Pour la céramique piézoélectrique, les matériaux PZT durs avec de faibles pertes mécaniques et diélectriques restent fondamentaux.On a de plus montré que la sensibilité par rapport à contrainte et à la température restent un second point fondamental. Dece point de vue les matériaux PZT fluorés (type LGEF/BG23) semblent les candidats idéaux bien qu’ils ne soient pas industriellement fabriqués.

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Si les limites en forte puissance moyenne sont maintenant relativement bien comprises avec l’importance des pertes du PZT sur l’avalanche thermique, celles en impulsionel sont insuffisamment acquises.Clairement la limite n’a pas été établie, et elle n’a donc pas été reliée aux caractéristiques pertinentes des matériaux.Il serait par conséquent important de considérer ce point pour la conception de structures plus directement adaptées aux régimes impulsionels tels que celles utilisées dans les lithotriteurs. D’unpoint de vue plus fondamental les régimes de fonctionnement du PZT sont dans ce cas assez mal connus et les méfaits ou les bienfaits d’une précontrainte associée, qui pourrait être contrôlée par le processus de fabrication, sont encore à établir.

Notons enfin, en ce qui concerne la céramique, que la mesure directe de la relation liant les pertes mécaniques des PZT à la contrainte ou à ses variations statique est encore à réaliser directement et que cette relation n’a à notre connaissance jamais été établie.Les aspects temporels et les échelles de temps de relaxation associés sont également très mal connus.La compréhension de ces points est évidemment fondamentale pour une utilisation rationnelle du matériau. Ceci est d’autant plus important qu’une nouvelle classe de matériaux avec d’exceptionnelles performances piézoélectriques, les monocristaux de PMNPT ou PZNPT ont fait l’objet de développements récents et il est vraisemblable qu’ils tireront la demande vers de plus grandes densités de puissance dans les prochaines années.

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