Les céramiques PZT (Titano-Zirconate de Plomb) (ou LZT pour les anglophones, pour Lead Zirconate Titanate) dont des matériaux de formule chimique Pb (Zr_x, Ti_1-x) O₃.

Ces matériaux sont particulièrement utilisés dans l'industrie à cause de propriétés spécifiques :

• ferroélectrique (ce qui veut dire qu'il possède une polarisation électrique à spontanée, qui peut être renversée par l'application d'un champ électrique)
• piézoélectrique (Ce qui veut dire qu'il développe un tension électrique entre ses deux faces une fois compressé (ce qui le rend utile pour des applications de type capteur), ou qu'il change physiquement de forme selon le champ électrique externe auquel on l'applique (utile pour des applications de type actionneur).
• pyroélectrique (ce qui veut dire que ce matériau développe une différence de tension entre deux de ses faces lorsqu'il est chauffé ou refroidi (ce qui en fait un capteur de température ou de variation de températures)

Histoire

Les premiers PZT ont été élaborés dès 1954, à partir de découvertes faites par trois physiciens japonais, Yutaka Takagi, Gen Shirane et Etsuro Sawaguchi, à l'Université de Technologie de Tōkyō, vers 1952.

Usages industriels ou dans les produits de consommation courante

Les céramiques PZT sont employées pour fabriquer des outils de type capteurs ou actionneurs ;

• des actionneurs sans moteurs tels que des micro-manipulateurs de précisions, dont pour ceux qui sont employés en optique adaptative en astronomie,
• des capteurs pour l'échographie, les sonars, radars,
• des capteurs infra-rouge
• des condensateurs céramique à haute capacité,
• certains composants de l'électronique pour l'informatique tels que les Ferrœlectric Random Access Memory (ou FRAM) ou les résonateurs céramique qui synchronisent des circuits électroniques.
• En 1975 les Laboratoires Sandia ont travaillé sur des lunettes «anti-Flash» visant à protéger de brûlures et cécité en cas d'explosion atomique, grâce à des lentilles PLZT pouvant devenir opaque en moins de 150 millionièmes de seconde.

Caractéristiques physiques

La structure cristalline des PZT est de type pérovskite.
La masse volumique du PZT fluctue entre 7500 et 7800 kg/m³

Selon la présence plus ou moindre de Titane (ou de Zirconium), les propriétés du PZT (mécanique, couplage, diélectrique, pertes) changent.

Ce matériau comporte une permittivité spécifiquement importante à la frontière de phase morphotropique (MPB pour morphotropic phase boundary pour les anglophones), près dex= 0, 52. ^[1]Pour cette valeur x = 0.52, cette famille de matériaux surclasse les autres matériaux piézoélectriques classiques (Quartz, Langasites... ) par ses propriétés piézoélectriques.
Néanmoins les années 2000 ont vu l'émergence de nouveaux matériaux aux propriétés ferroélectriques extraordinaires (un ordre de grandeur plus piézoélectrique que les PZT) que sont les monocristaux ferroélectriques de type pérovskites (PMN-PT, PZN-PT... ).

Ces propriétés font des PZT des composés parmi principaux du domaine de l'électrocéramique.
Dans les produits commercialisés, les PTZ ne sont le plus souvent pas inclus dans leur forme pure mais sous forme de semi-conducteur dopés avec soit des dopants accepteurs, qui créent des trous vacants d'oxygène (anion), doit des dopants "donateurs", qui créent des trous de métal (cation) en facilitant dans les deux cas les mouvements électroniques dans le matériau.

• Un dopage en accepteurs crée le plus souvent un PZT dit dur (hard)  ; Dans les PZT durs, le mouvement du Mur de domaine (changement de phase) est freiné par les impuretés ce qui diminue les pertes dans le matériau, mais avec comme conséquence d'une réduction de la constante piézo-électrique.
• le dopage en donateurs crée PZT dit soft. Un PZT soft a généralement une constante piézoélectriques plus élevée qu'un PTZ dur, mais plus de pertes internes au matériau en raison du frottement interne plus important.

La plupart des PZT durs et mous changent dans leurs constantes piézo-électrique. Ces constantes piézo-électriques sont proportionnelles à la polarisation ou au champ électrique produit par unité de contrainte mécanique, ou inversement à la déformation mécanique produite par unité de champ électrique appliqué au matériau.

Toxicité

Le PZT est classé comme substance dangereuse, enregistrée :

• sous le numéro CAS 12626-81-2,
• sous le n° EC 235-727-4,
• sous le n° PubChem 159452

En Fin de vie il doit être traité comme déchet dangereux et dans les pays où ce type de législation et filière existent, pris en charge par la filière DEEE.

Types de présentations

Ces céramiques existent sous différentes formes ;

• massiques (plaque, cylindre ou demi-sphère creuse),
• en film mince
• en gel polymérisé (utilisé dans les MEMS).

Voir aussi

1. Rouquette J ; Haines, J; Bornand, V; Pintard, M; Papet, Ph; Bousquet, C; Konczewicz, L; Gorelli, FA; Hull, S ; Pressure tuning of the morphotropic phase boundary in piezœlectric lead zirconate titanate ; Journal : Physical Review ; volume70 ; issue=1 ; 2004 ; doi=10.1103/PhysRevB. 70.014108 ; pages. 1–4; Ed : American Physical Society

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