Étude expérimentale de matériaux piézoélectriques sous contrainte mécanique

Après avoir effectué l’étude théorique de matériaux piézoélectriques sous contraintes électrique et mécanique, nous développons dans ce chapitre la mise en place d’un dispositif expérimental adapté à l’étude de la non-linéarité du déplacement électrique et des déformations de matériaux piézoélectriques sous contrainte mécanique. Dans un premier temps, nous mettons en place le dispositif expérimental purement mécanique. Ainsi, nous mesurons l’évolution des déformations longitudinale et transversales dans le niobate de lithium jusqu’à la limite de rupture mécanique. Cette étude permet de mesurer la valeur de ce paramètre et d’estimer la limite élastique de ce matériau. De plus, nous mettons en avant les difficultés expérimentales dédiées à l’évaluation des paramètres électroacoustiques du niobate de lithium sous contrainte mécanique.  Dans un deuxième temps, nous mesurons l’évolution du déplacement électrique et des déformations longitudinale et transversales des Pz21 et 26 sous contrainte mécanique. Ces résultats sont mis en parallèle avec ceux du précédent chapitre et permettent de discuter les hypothèses de notre modèle. Les échantillons utilisés ont été fabriqués par l’entreprise Sino Risingtech Material (Beijing, Chine) sous forme de disques (électrodés en surface) de 6 mm d’épaisseur, 12 et 18 mm de diamètre. Les propriétés du second ordre du niobate de lithium nous intéressant sont rappelées :

Dans le but d’étudier les évolutions de paramètres électro-acoustiques de ce matériau en fonction de la contrainte mécanique, nous disposons de ces matériaux dans quatre plans de coupe dans lesquels il a été montré que les changements étaient les plus importants [Lematre2006-Lematre2011]. Les plans de coupe choisis sont les suivants : Afin de dimensionner l’instrumentation nécessaire à la mesure des paramètres électroacoustiques du matériau, nous avons commencé par rechercher leurs limites élastique et à la cristallographique forte. Les deux exemplaires de ce plan de coupe (avec rayons différents) ont été utilisés. Les électrodes de ces 3 échantillons de niobate sont retirées, les surfaces polies et considérées planes avec une précision inférieure à 5 micromètres. Trois jauges de contraintes mesurant chacune les déformations longitudinale et transversales ont été collées sur chacun de ces matériaux pour évaluer l’évolution des déformations sous contrainte mécanique. Les surfaces latérales ont elles aussi polies de manière à assurer une meilleure adhérence avec les jauges de déformation. Rappelons que pour ce matériau, les déformations transverses sont égales, soit avons choisi de bloquer le plateau rotulé sous compression en insérant 2 plateaux rotulés de diamètre égale à celui des échantillons. Ces résultats ont montré une meilleure cohérence et une faible dispersion entre les 3 jauges, mais a mis en avant le manque de souplesse du dispositif sous contrainte. La rupture de ce matériau a elle aussi été brutale et est apparue à -80 MPa, ce qui est en bon accord avec le fait que ce plan de coupe correspond à un plan fort du matériau. Pour compenser ce défaut de souplesse, nous avons choisi d’insérer des éléments souples en carton de faible épaisseur entre le plateau rotulé et l’échantillon afin de s’adapter rapidement et de combler les défauts de planéité. Le dispositif adapté à nos mesures est représenté sur la figure VI.1.

Dispositif expérimental de mesure de déformations longitudinale et transversales sous contrainte uniaxiale

Sous l’action d’une machine de traction/compression, utilisée en mode de compression, et pilotée en force (logiciel Wave Maker-Runner) nous appliquons une force pouvant atteindre à -100 kN. Cette dernière envoie les informations de force et de déplacement de sa cellule de force au système d’acquisition qui traite les données. Afin d’assurer la planéité du plateau d’alignement, nous pressons ce dernier à -10 kN, et nous serrons les quatre vis de manière à éliminer tous défauts entre les deux plateaux. Le matériau est placé entre deux éléments mous en carton d’épaisseur 1.2 mm qui garantissent une planéité parfaite entre le plateau d’alignement et l’échantillon. L’influence du carton compressé est négligée. Nous collons ensuite sur l’échantillon 3 jauges de déformation mesurant chacune la déformation longitudinale et transversale. L’ensemble des jauges est relié à un pont de jauge, lui-même relié au système d’acquisition. Ce dernier traite les informations reçues et les renvoie à l’unité centrale. Le dispositif est considéré plan quand les 3 jauges de déformation mesurent des valeurs égales à 4% près sous une contrainte de -2 MPa.