Élaboration et caractérisation de céramiques massives et de films épais pour la réfrigération électrocalorique

La demande mondiale d'énergie pour la réfrigération et la climatisation n’a cessé de croitre depuis des décennies. La réfrigération par compression de vapeur est l’une des technologies conventionnelles de réfrigération les plus répandues. Cette technologie utilise des fluides réfrigérants qui sont dangereux pour l'environnement de par leur impact sur la couche d’ozone, le réchauffement climatique ou leur toxicité. Plusieurs technologies de réfrigération alternatives ne faisant pas appel à des fluides frigorigènes sont aujourd’hui en cours de développement. La réfrigération électrocalorique est l'une de ces alternatives, elle a suscité un grand intérêt ces dernières années depuis notamment la découverte d'un effet électrocalorique « géant » en 2006. L'effet électro-calorique est un phénomène physique observé dans les matériaux polaires, il implique l'application et la suppression d'un champ électrique externe, qui entraîne dans ces matériaux un changement de température adiabatique réversible ou une variation d'entropie isotherme pouvant être exploité pour la réfrigération. La sélection des matériaux joue un rôle crucial dans les applications de réfrigération électrocalorique. Actuellement, la plupart des matériaux électrocaloriques étudiés sont ferro-électriques. L'effet électrocalorique est largement étudié dans les céramiques, en particulier dans les céramiques de type pérovskite (ABO(3)). Parmi les pérovskites les plus étudiées, on trouve celles à base de plomb. En raison des restrictions croissantes sur l'utilisation du plomb dans différents pays, par exemple, dans le cadre de la directive européenne RoHS (Restriction of Hazardous Substances), les matériaux à base de plomb sont amenés à être remplacés. Les oxydes à base de titanate de baryum (BaTiO(3)) font partie des matériaux ferroélectriques sans plomb les plus connus, avec d'excellentes propriétés diélectriques et ferroélectriques. Les recherches aujourd’hui concernent l’étude des effets de la substitution du Baryum ou du Titane dans la structure pérovskite sur leur propriétés diélectriques et ferroélectriques notamment. Les études sur l'impact du dopage au samarium (Sm) dans le BaTiO(3) sont en revanche très limitées. Le travail de cette thèse a consisté en la préparation et l’étude du titanate de baryum dopé au samarium (BTO-Sm). Dans cette étude, différentes compositions de Ba(1-x)Sm(x)TiO(3) ont été synthétisées via un processus sol-gel avec x = 0 %, 2 %, 4 %, 6 %. Les caractérisations structurelles (diffraction des rayons X, la spectroscopie Raman, la microscopie électronique à balayage), les propriétés thermiques, ferroélectriques et diélectriques ont été étudié. En ce qui concerne les propriétés électrocaloriques, une méthode directe utilisant un calorimètre adiabatique à base d’éléments Peltier (pASC) a été utilisée. Les résultats indiquent que la substitution du Ba par du Sm conduit à une réduction de la température à laquelle l'effet électrocalorique maximal se produit et élargit la plage de température appropriée pour exploiter l'effet électrocalorique, validant ainsi cette approche pour l’élaboration de céramiques multicouches utilisables au voisinage de la température ambiante. Des films épais à base de Ba(1-x)Sm(x)TiO(3) ont également été préparés par sérigraphie, les caractérisations structurelles par microscopie électronique à balayage et leurs propriétés diélectriques en fonction de la fréquence ont été étudiées Ces travaux préliminaires, couplés à une modélisation du transport de chaleur dans les matériaux multicouches permettront par la suite l’élaboration de ces céramiques multicouches indispensables pour les applications concrètes dans des dispositifs de réfrigération électrocalorique .