Le niobate de lithium à haute température pour les applications ultrasons

De Castilla, Hector (2017). Le niobate de lithium à haute température pour les applications ultrasons. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

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).

Titre traduit

Lithium niobate at high temperature for ultrasound applications

Résumé traduit

The aim of this thesis is to find a piezoelectric material suitable for high temperature ultrasound applications. Indeed, their operating temperature is actually limited to 300°C due to the piezoelectric element inside. Extend this limitation would allow non destructive testing (NDT) by ultrasound on high temperature structure in order to do structural health monitoring (SHM) or in-service inspections (ISI). With good electromechanical properties and a high Curie temperature (1200°C), lithium niobate (LiNbO3) is a good candidate. But some studies declared that chemical processes like ionic conductivity or chemical decomposition prevent this material from ultrasound transducers applications above 600°C. However, recent studies showed that LiNbO3 is able to produce ultrasounds up to 1000°C and that conductivity was not visible. This lead to a hypothesis: an ionic conductivity is present in lithium niobate at high temperature (>500°C) but has a limited impact on its properties at high frequency (>100kHz). A high temperature characterization of lithium niobate is thus necessary to verify this hypothesis. To do so, the resonance method was employed. It leads to a characterization of most of the electromechanical coefficients from a single electrochemical impedance spectroscopy and an explicit model making the link between properties coefficients and the impedance spectrum. Coefficients are deduced from the best fit of the model over experimental data. An experimental setup was done in order to well control the temperature of the sample and to measure its electrochemical impedance spectrum. Unfortunately, actual models used for resonance method are inaccurate when coupling modes occur. This means to have samples with different shapes in order to isolate each main vibration mode. Moreover, these models usually do not take into account harmonics and shear modes. This is why a new wide frequency analytical model was developed in order to take into account coupling modes, shear modes and harmonics. Although this complex model is the most accurate to date, there are still resonances and coupled modes that are not modeled. The Y-cut sample characterization was done up to 750°C and confirmed that lithium niobate is hopeful. Piezoelectric coefficients are stable in function of temperature and stiffness and permittivity have the expected behavior. A thermoelectric effect which has a similar impact than ionic conductivity on the impedance spectrum was observed. Consequently, the ionic conductivity was not quantified. Although additional studies are needed, the resonances level at 750°C seems point out that lithium niobate can be used for ultrasound applications at high frequencies (>100kHz).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 61-66.
Mots-clés libres:	Niobate de lithium. Matériaux piézoélectriques Modèles mathématiques. Matériaux à hautes températures. Transducteurs ultrasonores Matériaux. Appareils à ultrasons. méthode, résonance, piézoélectricité, haute température, méthode par résonance, ultrasons
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zednik, Ricardo
Codirecteur:	Codirecteur Bélanger, Pierre
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	10 avr. 2017 14:31
Dernière modification:	10 avr. 2017 14:31
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1860

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