Etude et réalisation de sources acoustiques de puissance en composite piézoélectrique 1.3 pour appliquations
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Chapitre I. Introduction générale I. Introduction générale Les transducteurs piézoélectriques sont étudiés et développés depuis de nombreuses années pour la génération ou la détection des ondes acoustiques dans de nombreux domaines tels que les applications médicales (imagerie essentiellement), sous marines (sonar, sondages offshore, …) en contrôle de vibration (actif, passif, etc.) etc… Dans diverses configurations de transducteurs piézoélectriques, les composites piézoélectriques ont remplacé les matériaux céramiques traditionnels parce qu’ils permettent de cumuler divers avantages sur les matériaux massifs. Que ce soit pour l’adaptation d’impédance acoustique des sources, leur sensibilité ou leur plus grande robustesse ou encore leur faible densité parmi les diverses configurations de composite, la plus répandue qui est aussi la plus performante est le composite 1.3 qui consiste en des barreaux de céramiques piézoélectriques arrangés mécaniquement en parallèle et enrobés dans une matrice polymère. Avec ces matériaux, on peut obtenir le meilleur compromis entre leurs différentes propriétés en vue d’une application donnée grâce à la possibilité d’adapter leur structure (matériaux utilisés, fraction volumique, forme des barreaux) à la configuration de transducteur visée. Dans le cadre de la présente étude, les composites piézoélectriques de connectivité 1.3 ont été étudiés pour deux domaines d’applications des ultrasons de puissance en thérapie ...
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Chapitre I. Introduction générale
I. Introduction générale
Les transducteurs piézoélectriques sont étudiés et développés depuis de nombreuses années pour la génération ou la détection des ondes acoustiques dans de nombreux domaines tels que les applications médicales (imagerie essentiellement), sous marines (sonar, sondages offshore,
) en contrôle de vibration (actif, passif, etc.) etc
Dans diverses configurations de transducteurs piézoélectriques, les composites piézoélectriques ont remplacé les matériaux céramiques traditionnels parce qu’ils permettent de cumuler divers avantages sur les matériaux massifs.Que ce soit pour l’adaptation d’impédance acoustique des sources, leur sensibilité ou leur plus grande robustesse ou encore leur faible densité parmi les diverses configurations de composite, la plus répandue qui est aussi la plus performante est le composite 1.3 qui consiste en des barreaux de céramiques piézoélectriques arrangés mécaniquement en parallèle et enrobés dans une matrice polymère. Avecces matériaux, on peut obtenir le meilleur compromis entre leurs différentes propriétés en vue d’une application donnée grâce à la possibilité d’adapter leur structure (matériaux utilisés, fraction volumique, forme des barreaux) à la configuration de transducteur visée.
Dans le cadre de la présente étude, les composites piézoélectriques de connectivité 1.3 ont été étudiés pour deux domaines d’applications des ultrasons de puissance en thérapie médicale : l’ablathermie (destruction de cellules par échauffement) et la lithotritie (destruction de calculs rénaux par ondes de choc).Les performances énergétiques des transducteurs peuvent en particulier être exploitées dans des durées très variables et nos objectifs sont présentés comme suit :
impulsions très brèves (1% de rapport cyclique) à très haute puissance instantanée (jusqu’à 50W/cm² environ) avec un bon rendement (90∼95%), pour la génération d’ondes de choc pour la lithotritie génération de trains d’ondes à forte intensité (>20W/cm² en continu) avec de hautes températures de fonctionnement (jusqu’à 80∼sur des 100°C) durées d’émission les plus longues possible, comme dans le cas de l’ablathermie
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Chapitre I. Introduction générale
Au laboratoire LGEF, des travaux précédents ont permis d’établir que ces transducteurs piézocomposites 1.3 sont très performants pour le cas d’un émetteur acoustique couplé à un milieu à faible impédance acoustique (eau). Malgré un fort angle de pertes mécaniques dû à la présence de la matrice polymère, ils présentent un meilleur rendement global que leurs homologues en céramique massive compte tenu de leur meilleure adaptation acoustique au milieu de propagation (transducteur sans lame – backing air).Dans un premier temps, ceci s’est révélé reproductible avec divers types de matériaux PZT et dans des conditions isothermes, c’est à dire sous forts niveaux de puissance instantanée (35 W/cm²) mais sous faible rapport cyclique (1∼donc sous faible puissance moyenne et donc sans échauffement 5%) (< 2 °C).Dans un deuxième temps, en émission avec un fort rapport cyclique ou bien en onde continue, le transducteur s’échauffe et sa puissance est limitée par l’évolution des propriétés mécaniques et des pertes de ses constituants.Les essais réalisés jusqu’à présent avec une résine époxy de type Araldite et réticulée à basse température révèle que le composite cesse de fonctionner aux environs de 50 °C.A cette température, les pertes mécaniques de la résine augmentent rapidement du fait de l’approche de la température de transition vitreuse.Ceci se traduit par un emballement thermique et un brutal échauffement qui amène généralement à la destruction des électrodes et des couches de protection.Dans ce cas la densité de puissance limite atteinte n’est que de 12W/cm² en refroidissement convectif naturel.
Sur la base des résultats précédemment acquis, notre stratégie a consisté à étudier des transducteurs composites construits à partir de PZT présentant de faibles pertes mécaniques ainsi qu’une bonne stabilité de celles ci avec les traitements thermiques, et des polymères dont la température de transition vitreuse est élevée (>est d’augmenter la densité de puissance en autorisant le100°C). L’objectif fonctionnement des transducteurs sur une gamme de températures élargie.Les transducteurs construits fonctionnent dans la bande de fréquence comprise entre 500 et 630kHz.Leurs performances ont été caractérisées dans l’air et l’eau pour divers niveaux de puissance, en tenant compte des constituants utilisés (2 nuances de PZT et 3 types et de résines) et de la faction volumique de PZT.L’analyse des performances s’appuie en particulier sur la mise en évidence de la contrainte thermomécanique induite dans le PZT au cours de la réticulation à une température élevée.
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Chapitre I. Introduction générale
Dans un premier temps, nous décrirons les diverses configurations de composites piézoélectriques qui ont été réalisées depuis une vingtaine d’années et en particulier le composite de connectivité 1.3 qui fait l’objet de cette étude.Puisque ce dernier peut, dans les conditions où nous l’utilisons, être considéré comme un milieu homogène, un modèle d’homogénéisation simple permettant d’estimer les caractéristiques globales du composite à partir de celles des constituants sera introduit. Lessources de pertes dans les divers constituants des transducteurs composites piézoélectriques de puissance, qui influencent directement les performances des transducteurs, seront introduites et discutées.
Dans une deuxième partie, nous décrirons et justifierons la sélection des constituants des composites qui permettront de limiter les pertes mécaniques tout en tenant compte du procédé de fabrication.Pour la phase active, 4 types de PZT sont comparés, enterme de stabilité des propriétés et des pertes mécaniques lors d’un traitement thermique à haute température puis en fonction du niveau de sollicitation mécanique à la résonance.Ceci est motivé par le fait que les résines dont la température de transition vitreuse est élevée doivent être réticulées à haute température. Pourla phase passive, nous avons mesuré les pertes mécaniques des 5 types de résine époxy en fonction de la température par une méthode originale de résonance. Cetteméthode permet une mesure des pertes du polymère à haute fréquence et donc à une fréquence proche des conditions d’utilisation.Ceci permet de minimiser les erreurs associées aux méthodes usuelles de correspondance températurefréquence.
Nous décrirons ensuite le procédé de fabrication des composites, ainsi que la configuration des prototypes testés.La nomenclature des différents transducteurs réalisés sera précisée avec les propriétés électromécaniques mesurées dans l’air à bas niveau.
Dans les deux chapitres suivants, l’existence de fortes contraintes thermomécaniques dans un composite 2.2 élémentaire sera mise en évidence par des mesures de déformation in situ de la céramique au cours du traitement thermique assurant la réticulation de la résine époxy.Afin d’établir une relation entre la température de réticulation et la contrainte induite dans le PZT, un modèle analytique simple sera développé et les résultats expérimentaux seront comparés
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Chapitre I. Introduction générale
aux prévisions du modèle afin d’en apprécier la validité.Les effets de ces contraintes thermomécaniques sur les propriétés du PZT telles que la permittivité diélectrique, la polarisation et les pertes mécaniques seront examinés et discutés en particulier au cours des variations de température du composite.Nous analyserons ensuite l’hypothèse reliant les pertes mécaniques du PZT à la relaxation de la contrainte dans le PZT sous l’effet de la variation de température.Cette hypothèse nous permet ainsi par identification d’établir pour une configuration de composite donnée, l’évolution des pertes de la céramique avec la température.
Les transducteurs construits seront alors évalués en cuve en bas niveau puis sous haut niveau de sollicitation avec une face rayonnant dans l’eau.Dans ces conditions, les meilleures configurations en termes de rendement, d’échauffement et de densité de puissance émise seront détaillées et comparées.Enfin le comportement sous forte puissance moyenne sera discuté et la destruction des transducteurs par avalanche thermique sera interprétée en termes d’effet de la relaxation de la précontrainte dans les barreaux de PZT.Les limites obtenues expérimentalement seront discutées et les densités de puissance limites correspondant aux matériaux identifiées dans ce travail seront extrapolées.
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