Le niobate de lithium à haute température pour les applications ultrasons

L’objectif de ce travail de maîtrise en sciences appliquées est de trouver puis étudier un matériau piézoélectrique qui est potentiellement utilisable dans les transducteurs ultrasons à haute température. En effet, ces derniers sont actuellement limités à des températures de fonctionnement en dessous de 300°C à cause de l’élément piézoélectrique qui les compose. Palier à cette limitation permettrait des contrôles non destructifs par ultrasons à haute température. Avec de bonnes propriétés électromécaniques et une température de Curie élevée (1200°C), le niobate de lithium (LiNbO3) est un bon candidat. Mais certaines études affirment que des processus chimiques tels que l’apparition de conductivité ionique ou l’émergence d’une nouvelle phase ne permettent pas son utilisation dans les transducteurs ultrasons au-dessus de 600°C. Cependant, d’autres études plus récentes ont montré qu’il pouvait générer des ultrasons jusqu’à 1000°C et qu’aucune conductivité n’était visible. Une hypothèse a donc émergé : une conductivité ionique est présente dans le niobate de lithium à haute température (>500°C) mais elle n’affecte que faiblement ses propriétés à hautes fréquences (>100 kHz). Une caractérisation du niobate de lithium à haute température est donc nécessaire afin de vérifier cette hypothèse. Pour cela, la méthode par résonance a été employée. Elle permet une caractérisation de la plupart des coefficients électromécaniques avec une simple spectroscopie d’impédance électrochimique et un modèle reliant de façon explicite les propriétés au spectre d’impédance. Il s’agit de trouver les coefficients du modèle permettant de superposer au mieux le modèle avec les mesures expérimentales. Un banc expérimental a été réalisé permettant de contrôler la température des échantillons et de mesurer leur impédance électrochimique. Malheureusement, les modèles actuellement utilisés pour la méthode par résonance sont imprécis en présence de couplages entre les modes de vibration. Cela implique de posséder plusieurs échantillons de différentes formes afin d’isoler chaque mode principal de vibration. De plus, ces modèles ne prennent pas bien en compte les harmoniques et modes en cisaillement. C’est pourquoi un nouveau modèle analytique couvrant tout le spectre fréquentiel a été développé afin de prédire les résonances en cisaillement, les harmoniques et les couplages entre les modes. Néanmoins, certains modes de résonances et certains couplages ne sont toujours pas modélisés. La caractérisation d’échantillons carrés a pu être menée jusqu’à 750°C. Les résultats confirment le caractère prometteur du niobate de lithium. Les coefficients piézoélectriques sont stables en fonction de la température et l’élasticité et la permittivité ont le comportement attendu. Un effet thermoélectrique ayant un effet similaire à de la conductivité ionique a été observé ce qui ne permet pas de quantifier l’impact de ce dernier. Bien que des études complémentaires soient nécessaires, l’intensité des résonances à 750°C semble indiquer que le niobate de lithium peut être utilisé pour des applications ultrasons à hautes fréquences (>100 kHz).

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