Le niobate de lithium à haute température pour les applications ultrasons

L’objectif de ce travail de maitrise en sciences appliquees est de trouver puis etudier un materiau piezoelectrique qui est potentiellement utilisable dans les transducteurs ultrasons a haute temperature. En effet, ces derniers sont actuellement limites a des temperatures de fonctionnement en dessous de 300°C a cause de l’element piezoelectrique qui les compose. Palier a cette limitation permettrait des controles non destructifs par ultrasons a haute temperature. Avec de bonnes proprietes electromecaniques et une temperature de Curie elevee (1200°C), le niobate de lithium (LiNbO3) est un bon candidat. Mais certaines etudes affirment que des processus chimiques tels que l’apparition de conductivite ionique ou l’emergence d’une nouvelle phase ne permettent pas son utilisation dans les transducteurs ultrasons au-dessus de 600°C. Cependant, d’autres etudes plus recentes ont montre qu’il pouvait generer des ultrasons jusqu’a 1000°C et qu’aucune conductivite n’etait visible. Une hypothese a donc emerge : une conductivite ionique est presente dans le niobate de lithium a haute temperature (>500°C) mais elle n’affecte que faiblement ses proprietes a hautes frequences (>100 kHz). Une caracterisation du niobate de lithium a haute temperature est donc necessaire afin de verifier cette hypothese. Pour cela, la methode par resonance a ete employee. Elle permet une caracterisation de la plupart des coefficients electromecaniques avec une simple spectroscopie d’impedance electrochimique et un modele reliant de facon explicite les proprietes au spectre d’impedance. Il s’agit de trouver les coefficients du modele permettant de superposer au mieux le modele avec les mesures experimentales. Un banc experimental a ete realise permettant de controler la temperature des echantillons et de mesurer leur impedance electrochimique. Malheureusement, les modeles actuellement utilises pour la methode par resonance sont imprecis en presence de couplages entre les modes de vibration. Cela implique de posseder plusieurs echantillons de differentes formes afin d’isoler chaque mode principal de vibration. De plus, ces modeles ne prennent pas bien en compte les harmoniques et modes en cisaillement. C’est pourquoi un nouveau modele analytique couvrant tout le spectre frequentiel a ete developpe afin de predire les resonances en cisaillement, les harmoniques et les couplages entre les modes. Neanmoins, certains modes de resonances et certains couplages ne sont toujours pas modelises. La caracterisation d’echantillons carres a pu etre menee jusqu’a 750°C. Les resultats confirment le caractere prometteur du niobate de lithium. Les coefficients piezoelectriques sont stables en fonction de la temperature et l’elasticite et la permittivite ont le comportement attendu. Un effet thermoelectrique ayant un effet similaire a de la conductivite ionique a ete observe ce qui ne permet pas de quantifier l’impact de ce dernier. Bien que des etudes complementaires soient necessaires, l’intensite des resonances a 750°C semble indiquer que le niobate de lithium peut etre utilise pour des applications ultrasons a hautes frequences (>100 kHz).