Elaboration et caractérisation d’un matériau à gradient de propriétés céramique/métal pour la conception d’un transducteur piézoélectrique

Les transducteurs piézoélectriques sont utilisés comme actionneurs ou capteurs dans de nombreux domaines industriels. Afin d'améliorer l’efficacité de ces dispositifs intelligents, les ingénieurs s'efforcent d'intégrer les transducteurs au cœur de la matière, souvent par des techniques de collage, qui créent des discontinuités mécaniques et électriques aux interfaces, entraînant des phénomènes de délaminage et une diminution de l'efficacité de la conversion électromécanique. Par ailleurs, pour des raisons écologiques, les matériaux piézoélectriques conventionnels contenant du plomb, tels que le PZT, sont à proscrire.De nouveaux matériaux, appelés matériaux piézoélectriques à gradient de fonction (FGPM) associant deux types de matériaux, une céramique piézoélectrique et un métal apparaissent être une solution innovante.Leur structure consiste en une évolution graduelle et continue de la composition et des propriétés dans l’épaisseur, afin de réduire les contraintes aux interfaces existant dans les transducteurs classiques et supprimant le problème de décollement. Les simulations numériques publiées montrent le fort potentiel de ces matériaux en tant qu’actionneurs et capteurs mais les études expérimentales sont rares.Cette thèse aborde ainsi l’élaboration et la caractérisation d’un FGPM en vue de concevoir un transducteur piézoélectrique innovant sans plomb. L’objectif principal de ces travaux est de maîtriser le processus d’élaboration par SPS (Spark Plasma Sintering) et de développer des protocoles spécifiques de caractérisation adaptés à ces matériaux.Dans le cadre de ces travaux, les FGPM sont élaborés à partir de poudres de céramique BaTiO3 et de nickel, en considérant une variation linéaire de la composition dans l’épaisseur, à l’aide de cinq mélanges de poudres. Différentes campagnes d’élaboration et de mesures (observations microstructurales, analyses DRX, mesure de dilatométrie,…) sont menées pour optimiser le frittage par SPS et garantir des échantillons sans microfisssure apparente. La caractérisation des interfaces par EDX et nanoindentation montrent l’absence d’interdiffusion entre les couches. La variation des propriétés dans l’épaisseur du FGPM est donc évaluée à partir des mesures faites sur des échantillons monolithiques représentant chaque mélange du FGPM. En raison des dimensions des monolithiques obtenus par SPS, un protocole non destructif d’estimation des propriétés mécaniques est proposé par mesures ultrasons. Les résultats montrent que la variation de chaque propriété mécanique dans l’épaisseur suit une loi puissance qui lui est propre. Le protocole de polarisation et les mesures des propriétés piézoélectriques sont menées sur les échantillons de BaTiO3, en vue d’être appliqués au FGPM, dans le futur.Enfin une étude numérique d’homogénéisation classique de Mori-Tanaka, considérant des inclusions sphériques dans une matrice, permet d’élargir les constatations faites dans ces travaux aux propriétés thermiques ainsi qu’à des FGPM ayant une composition non linéaire dans l’épaisseur.