PZT

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Les céramiques PZT (Titano-Zirconate de Plomb) (ou LZT pour les anglophones, pour Lead Zirconate Titanate) sont des matériaux de formule chimique Pb(Zrx,Ti1-x)O3.

Ces matériaux sont très utilisés dans l'industrie en raison de propriétés particulières :

  • ferroélectrique (ce qui signifie qu'ils possèdent une polarisation électrique spontanée, qui peut être renversée par l'application d'un champ électrique)
  • piézoélectrique (ce qui signifie qu'ils développent, une fois compressés, une tension électrique entre ses deux faces (ce qui le rend utile pour diverses applications: capteurs, transducteurs...), ou qu'ils changent physiquement de forme selon le champ électrique externe auquel il est soumis (utile pour des applications de type actionneurs).
  • pyroélectrique (ce qui signifie que ce matériau développe une différence de potentiel entre deux de ses faces lorsqu'il est chauffé ou refroidi (ce qui en fait un capteur de température ou de variation de températures)

Histoire[modifier | modifier le code]

Les premiers PZT ont été élaborés dès 1954, à partir de découvertes faites par trois physiciens japonais, Yutaka Takagi, Gen Shirane et Etsuro Sawaguchi, à l'Université de Technologie de Tōkyō, vers 1952.

Usages industriels ou dans les produits de consommation courante[modifier | modifier le code]

Les céramiques PZT sont employées pour fabriquer des outils de type capteurs ou actionneurs ;

Caractéristiques physiques[modifier | modifier le code]

La structure cristalline des PZT est de type pérovskite.
La masse volumique du PZT varie entre 7500 et 7800 kg/m³

Selon la présence plus ou moins importante de titane (ou de zirconium), les propriétés du PZT (mécanique, couplage, diélectrique, pertes) changent.

Ce matériau comporte une permittivité particulièrement importante à la frontière de phase morphotropique (MPB pour morphotropic phase boundary pour les anglophones), près dex = 0,52[1]. Pour cette valeur x = 0.52, cette famille de matériaux surclasse les autres matériaux piézoélectriques classiques (Quartz, Langasites...) par ses propriétés piézoélectriques.
Néanmoins les années 2000 ont vu l'émergence de nouveaux matériaux aux propriétés ferroélectriques extraordinaires (un ordre de grandeur plus piézoélectrique que les PZT) que sont les monocristaux ferroélectriques de type pérovskite (PMN-PT, PZN-PT...).

Ces propriétés font des PZT des composés parmi les plus importants du domaine de l'électrocéramique.
Dans les produits commercialisés, les PTZ ne sont généralement pas inclus dans leur forme pure mais sous forme de semi-conducteur dopés avec soit des dopants accepteurs, qui créent des trous vacants d'oxygène (anion) , soit des dopants "donateurs", qui créent des trous de métal (cation) en facilitant dans les deux cas les mouvements électroniques dans le matériau.

  • Un dopage en accepteurs crée généralement un PZT dit dur (hard ) ; Dans les PZT durs, le mouvement du mur de domaine (changement de phase) est freiné par les impuretés ce qui diminue les pertes dans le matériau, mais avec comme conséquence d'une réduction de la constante piézo-électrique.
  • le dopage en donateurs crée PZT dit soft. Un PZT soft a habituellement une constante piézoélectriques plus élevée qu'un PTZ dur, mais plus de pertes internes au matériau en raison du frottement interne plus important.

La plupart des PZT durs et mous diffèrent dans leurs constantes piézo-électrique. Ces constantes piézo-électriques sont proportionnelles à la polarisation ou au champ électrique produit par unité de contrainte mécanique, ou inversement à la déformation mécanique produite par unité de champ électrique appliqué au matériau.

Toxicité[modifier | modifier le code]

Le PZT est classé comme substance dangereuse, enregistrée :

En Fin de vie il doit être traité comme déchet dangereux et dans les pays où ce type de législation et filière existent, pris en charge par la filière DEEE.

Types de présentations[modifier | modifier le code]

Ces céramiques existent sous différentes formes ;

  • massiques (plaque, cylindre ou demi-sphère creuse),
  • en film mince
  • en gel polymérisé (utilisé dans les MEMS).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Rouquette J ; Haines, J; Bornand, V; Pintard, M; Papet, Ph; Bousquet, C; Konczewicz, L; Gorelli, FA; Hull, S ; Pressure tuning of the morphotropic phase boundary in piezoelectric lead zirconate titanate ; Journal : Physical Review ; volume70 ; issue=1 ; 2004 ; doi=10.1103/PhysRevB.70.014108 ; pages. 1–4; Ed : American Physical Society