Cristaux | Texte intégral gratuit | Conception de matériaux piézoélectriques pour une détection haute performance

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Les matériaux piézoélectriques peuvent réaliser la conversion mutuelle de l’énergie électrique et de l’énergie mécanique, et sont largement utilisés dans les appareils électroniques tels que les filtres piézoélectriques, les micro-déplaceurs, les actionneurs et les capteurs, qui ont des utilisations cruciales dans les domaines de l’information et de la communication, de la biomédecine, de l’armée. défense, etc… [1]. Les matériaux piézoélectriques avec d’excellentes performances sont parmi les nouveaux matériaux les plus importants de ce siècle et sont l’un des points focaux de la frontière scientifique internationale des matériaux fonctionnels. Avec le développement rapide de la science et de la technologie, les matériaux piézoélectriques se développent dans le sens de la composition des matériaux, de la spécialisation des fonctions, de l’amélioration des performances et de la miniaturisation de la structure. [2]. Par conséquent, l’étude des matériaux piézoélectriques et le développement de leurs applications sont d’une grande importance à l’ère actuelle de l’information.

Les capteurs piézoélectriques basés sur l’effet piézoélectrique peuvent fonctionner à partir de forces latérales, longitudinales ou de cisaillement, et sont insensibles aux champs électriques ainsi qu’au rayonnement électromagnétique. Leur réponse reste linéaire sur une large plage de températures, ce qui en fait un capteur idéal pour les environnements difficiles. De plus, les capteurs piézoélectriques ont une réponse à haute fréquence, ce qui signifie qu’ils peuvent détecter des paramètres qui changent rapidement. De plus, avec une réponse transitoire importante, ils sont capables de détecter des événements d’une durée d’une microseconde et de fournir une sortie linéaire. Au cours de la dernière décennie, les capteurs piézoélectriques ont connu des progrès rapides et suscité un large intérêt. Pour permettre à ces technologies de révolutionner les applications de détection et d’entraînement hautes performances dans de nouveaux domaines, ce numéro spécial offre une vue panoramique sur les derniers développements des matériaux piézoélectriques pour la détection.

La préparation de matériaux piézoélectriques de haute qualité est la pierre angulaire du développement de capteurs hautes performances et de nouvelles applications. L’ingénierie de la structure de phase des matériaux piézoélectriques, y compris la limite de phase morphotropique (MPB) des céramiques piézoélectriques et la phase active des polymères piézoélectriques, est un moyen efficace de moduler les propriétés piézoélectriques [3]. En ce qui concerne la préparation et le réglage des performances, Kang et al. [4] développé des céramiques de composition de Pb(Ni,Nb_2/3)O₃-Pb(Zr,Ti)O₃-Pb(Mg,W)O₃ [PNN-PZT-PMW] préparer des capteurs d’émission acoustique pour des essais non destructifs. Le PNN-PZT-PMW a été fabriqué via une méthode conventionnelle d’oxyde mixte, en utilisant Li₂CO₃ et CaCO₃ comme auxiliaires de frittage. Après dopage avec Sm, les céramiques telles que préparées présentaient d’excellentes propriétés piézoélectriques, notamment une constante diélectrique de 2824, un coefficient piézoélectrique d₃₃ de 630 pC/N, et un coefficient de couplage électromécanique planaire k_p de 0,665. De plus, Yoo et ses collègues [5] modulé les propriétés piézoélectriques et la stabilité en température de (Na,K)NbO₃ système céramique en utilisant des adjuvants de frittage de CuO, B₂O₃, et ZnO en fonction de la substitution d’antimoine. Ils ont préparé 0,965(Li_0,03(N / A_0,5K_0,5)_0,97)(Nb_1−xqn_X)O₃-0.035(Bi_0,5N / A_0,5)_0,9(Sr)_0,1ZrO₃ céramiques et analysé leurs structures cristallines et leurs caractéristiques électriques. À la suite de l’ajout de substitution d’antimoine, le grain de la céramique a été affiné et la coexistence de phases tétragonales et rhomboédriques s’est produite, entraînant une constante diélectrique accrue et une température de Curie abaissée. L’optimisation des propriétés piézoélectriques des matériaux ci-dessus facilite le développement de dispositifs tels que des capteurs d’émission acoustique et des transducteurs ultrasonores.

En raison des excellentes propriétés piézoélectriques de ces matériaux, divers capteurs ont été développés et de nombreuses applications intéressantes ont vu le jour. Par exemple, Govindarajan et al. [6] ont discuté de l’effet de différentes micro- et nanocharges dans les matrices polymères de fluorure de polyvinylidène (PVDF) sur les propriétés structurelles, thermiques et électriques des capteurs à ondes acoustiques de surface (SAW). Les résultats montrent que l’ajout de charges au polymère a un impact significatif sur les propriétés piézoélectriques et structurelles du piézocomposite. Le coefficient piézoélectrique maximal d₃₃ du composite a atteint 42 pC/N lorsque le polymère PVDF a été combiné avec des nanocharges CNT. De plus, ils ont démontré un capteur de contrainte passif basé sur des SAW, qui peut mesurer les contraintes mécaniques en examinant les décalages de fréquence dans les signaux d’onde détectés. Enfin, Liu et ses collègues [7] ont proposé une méthode d’évaluation de la profondeur de corrosion basée sur des capteurs piézoélectriques. Étant donné que les ondes guidées ultrasonores sont réfléchies et transmises à des limites discontinues dans un milieu, la profondeur de corrosion peut être évaluée sur la base du rapport d’amplitude du signal réfléchi/transmis (RTAR) reçu par un capteur piézoélectrique. À l’aide d’un modèle d’évaluation de la profondeur, les défauts de corrosion d’une profondeur minimale de 0,2 mm peuvent être évalués quantitativement. Cette étude a fourni un moyen efficace d’appliquer des capteurs piézoélectriques à l’estimation paramétrique de la croissance de la corrosion et de la variation de la profondeur des défauts avec le temps.

Avec une innovation et un développement continus, en particulier la combinaison de la recherche scientifique et des applications industrielles, les matériaux et dispositifs piézoélectriques présentent des perspectives d’application plus brillantes et plus larges ; par conséquent, ce numéro spécial se concentre sur les dernières tendances en matière de matériaux piézoélectriques et leurs applications. Nous espérons que cette collection d’articles répondra aux attentes des lecteurs à la recherche de méthodes de synthèse, de propriétés améliorées et d’applications de matériaux piézoélectriques ainsi que de dispositifs. En outre, nous espérons également que cette collection inspirera d’autres travaux de recherche sur les sujets connexes inclus dans ce numéro spécial. Nous pensons qu’il existe un potentiel de croissance fulgurante de la piézoélectricité et nous nous attendons à assister à davantage de percées ainsi qu’à des applications qui conduiront à un avenir plus pratique, intelligent et durable pour la société.

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Auteur:Auguste Ott.,Référence litéraire de cet ouvrage.

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Virginie BRET