Des chercheurs ont mis au point une nouvelle technique permettant de restaurer à température ambiante les matériaux piézoélectriques utilisés dans les technologies à ultrasons et sonars, simplifiant ainsi les réparations et permettant une utilisation continue sans démontage. Cette méthode améliore non seulement la durabilité et l'efficacité de ces appareils, mais ouvre également des possibilités d'avancées dans la technologie des ultrasons. Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle technique développée par des chercheurs permet de restaurer les propriétés cruciales des matériaux piézoélectriques à température ambiante, simplifiant ainsi les réparations et prolongeant la durée de vie des appareils à ultrasons et sonars.
La chaleur et la pression peuvent dégrader les propriétés des matériaux piézoélectriques essentiels aux technologies avancées d’ultrasons et de sonars. Traditionnellement, la réparation de ces dommages impliquait de démonter les appareils et d’exposer les matériaux à des températures encore plus élevées. Aujourd’hui, les chercheurs ont mis au point une technique permettant de restaurer ces propriétés à température ambiante, simplifiant ainsi le processus de réparation et ouvrant la voie à de nouvelles technologies d’ultrasons.
Les matériaux piézoélectriques ont de nombreuses applications, notamment les technologies de sonar et les dispositifs qui génèrent et détectent les ondes ultrasonores. Mais pour que ces dispositifs génèrent efficacement des ondes sonar ou ultrasonores, le matériau doit être « polarisé ».
C'est parce que les matériaux piézoélectriques utilisés pour les applications sonar et ultrasons sont principalement ferroélectriques. Et comme tous les matériaux ferroélectriques, ils présentent un phénomène appelé polarisation spontanée. Cela signifie qu'ils contiennent des paires d'ions chargés positivement et négativement appelés dipôles. Lorsqu'un matériau ferroélectrique est polarisé, cela signifie que tous ses dipôles ont été alignés avec un champ électrique externe. En d'autres termes, les dipôles sont tous orientés dans la même direction, ce qui rend leurs propriétés piézoélectriques plus prononcées.
Défis liés au maintien de l'alignement des matériaux
« Si ces dipôles ne sont pas alignés, il est difficile de générer des ondes ultrasonores ciblées avec l'amplitude nécessaire pour qu'elles soient pratiques », explique Xiaoning Jiang, auteur correspondant d'un article sur le travail et professeur distingué Dean F. Duncan de génie mécanique et aérospatial à Université d'État de Caroline du Nord.
« Préserver la polarité des matériaux piézoélectriques-ferroélectriques pose des défis importants, car les dipôles peuvent commencer à perdre leur alignement lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées ou à des pressions élevées », explique Jiang.
« Il s’agit également d’un problème de fabrication, car cela limite les autres matériaux et procédés que vous pouvez utiliser lors de la fabrication d’appareils à ultrasons », explique Jiang. « Et comme les températures élevées ne sont même pas si élevées que ça, vous pouvez voir des problèmes d’alignement à partir de 70 degrés Celsius – même l’expédition ou le stockage de ces technologies peut parfois affecter négativement la polarisation et l’efficacité des appareils.
« De plus, l’utilisation prolongée de certaines technologies peut entraîner une génération de chaleur au niveau du dispositif lui-même, ce qui risque de dépolariser le matériau piézoélectrique-ferroélectrique. »
Et une fois que les dipôles du matériau sont désalignés, il n'est pas facile de les réaligner. Le matériau piézoélectrique-ferroélectrique doit être retiré de l'appareil et exposé à une chaleur élevée (300 degrés Celsius ou plus) afin de dépolariser complètement le matériau avant de le « repolariser » et de ramener les dipôles dans l'alignement.
« Il est important de réutiliser ces matériaux piézoélectriques-ferroélectriques, car ils sont généralement coûteux. Il ne faut pas les jeter », explique Jiang. « Mais souvent, le matériau est récupéré et le reste de l'appareil à ultrasons est jeté. »
« Nous avons développé une technique qui nous permet de dépoler et de repoler des matériaux piézoélectriques-ferroélectriques à température ambiante. Cela signifie que nous pouvons réaligner les dipôles sans retirer le matériau de l'appareil, et cela peut être fait à plusieurs reprises, selon les besoins. »
Comprendre la nouvelle technique
Pour comprendre cette nouvelle technique, il faut savoir qu'il existe deux façons d'aligner les dipôles d'un matériau piézoélectrique-ferroélectrique. La technique la plus utilisée consiste à appliquer un champ électrique continu (CC) au matériau, ce qui entraîne tous les dipôles dans la même direction.
« Cette méthode fonctionne bien pour créer un alignement, mais il est pratiquement impossible de déroler le matériau en utilisant uniquement un champ CC », a déclaré Jiang.
L'autre technique consiste à appliquer un champ électrique à courant alternatif (CA) au matériau, ce qui provoque l'oscillation des dipôles en réponse aux ondes du champ, jusqu'à ce que le champ soit supprimé, moment auquel les dipôles se verrouillent en place et s'alignent.
« Nous avons découvert que nous pouvons également dépolariser le matériau à l’aide d’un champ alternatif, même à température ambiante. Si le matériau était initialement polarisé à l’aide d’un champ continu, nous pourrions supprimer une grande partie de la polarisation avec un champ alternatif, mais pas la totalité », a déclaré Jiang. « Cependant, si le matériau était initialement polarisé avec un champ alternatif, nous avons découvert qu’il était également possible de dépolariser complètement le matériau à l’aide d’un champ alternatif. »
Cette découverte a au moins deux conséquences importantes pour les technologies à ultrasons.
« Si nous pouvons polariser les matériaux piézoélectriques-ferroélectriques à température ambiante, cela signifie que nous pouvons modifier les autres matériaux et procédés de fabrication que nous utilisons lors de la création d'appareils à ultrasons pour optimiser leurs performances », explique Jiang. « Nous ne sommes plus limités aux matériaux et aux procédés qui n'affecteront pas la polarisation des composants piézoélectriques-ferroélectriques, car nous pouvons polariser le matériau à l'aide d'un champ alternatif après l'assemblage de l'appareil.
« De plus, cela signifie que nous pouvons facilement remplacer les matériaux des appareils existants, ce qui, espérons-le, nous permettra de bénéficier d'une longue durée de vie de performances de pointe pour ces technologies. »
Ce travail a été réalisé avec le soutien du Bureau de la recherche navale, dans le cadre de la subvention N00014-21-1-2058; de la National Science Foundation, dans le cadre des subventions 2011978, 2309184 et 2133373; et du Lawrence Livermore National Laboratory du Département américain de l'énergie dans le cadre du contrat DE-AC52-07NA27344.
