Une céramique piézoélectrique traditionnelle est une masse de cristaux de céramique pérovskite, chacun constitué d'un petit ion métallique tétravalent, généralement du titane ou du zirconium, dans un réseau d'ions métalliques divalents plus gros, généralement du plomb ou du baryum, et des ions O2-. Dans des conditions qui confèrent une symétrie tétragonale ou rhomboédrique aux cristaux, chaque cristal a un moment dipolaire.
Pour préparer une céramique piézoélectrique, de fines poudres de PZT des oxydes métalliques constitutifs sont mélangées dans des proportions spécifiques, puis chauffées pour former une poudre uniforme. La poudre piézo est mélangée à un liant organique et est mise en forme d'éléments de structure ayant la forme souhaitée (disques, tiges, plaques, etc.). Les éléments sont cuits selon un programme de temps et de température spécifique, au cours duquel les particules de poudre piézo-électrique frittent et le matériau atteint une structure cristalline dense. Les éléments sont refroidis, puis façonnés ou taillés selon les spécifications, et des électrodes sont appliquées sur les surfaces appropriées.
Au-dessus d'une température critique, le point de Curie, chaque cristal de pérovskite dans l'élément en céramique cuit présente une symétrie cubique simple sans moment dipolaire. À des températures inférieures au point de Curie, cependant, chaque cristal a une symétrie tétragonale ou rhomboédrique et un moment dipolaire. Les dipôles adjacents forment des régions d'alignement local appelées domaines. L'alignement donne un moment dipolaire net au domaine, et donc une polarisation nette. Cependant, la direction de polarisation parmi les domaines voisins est aléatoire, de sorte que l'élément céramique n'a pas de polarisation globale.
Les domaines d'un élément piézo-céramique sont alignés en exposant l'élément à un fort champ électrique à courant continu, généralement à une température légèrement inférieure au point de Curie. Grâce à ce traitement polarisant (poling), les domaines les plus proches du champ électrique se dilatent aux dépens des domaines qui ne sont pas alignés avec le champ, et l'élément s'allonge dans la direction du champ. Lorsque le champ électrique est supprimé, la plupart des dipôles sont verrouillés dans une configuration de quasi-alignement. L'élément a maintenant une polarisation permanente, la polarisation rémanente, et est allongé en permanence.
Poling une céramique piézoélectrique
Effets du champ électrique
De manière analogue aux caractéristiques correspondantes des matériaux ferromagnétiques, un matériau ferroélectrique polarisé présente une hystérésis. La figure 1.3 montre une courbe d'hystérésis typique créée en appliquant un champ électrique à un élément en céramique piézoélectrique jusqu'à ce que la polarisation maximale, Ps , soit atteinte, en réduisant le champ à zéro pour déterminer la polarisation rémanente, Pr , en inversant le champ pour atteindre une polarisation maximale négative et polarisation rémanente négative, et inverser le champ pour restaurer la polarisation rémanente positive. Le tracé sous la courbe d'hystérésis trace le changement relatif de la dimension de l'élément en céramique le long de la direction de polarisation, correspondant au changement du champ électrique. L'augmentation/diminution relative de la dimension parallèle à la direction du champ électrique s'accompagne d'une diminution/augmentation relative correspondante, mais environ 50 % inférieure, de la dimension perpendiculaire au champ électrique. Graphique 1.3. Effets du champ électrique (E) sur la polarisation (P) et l'allongement/la contraction correspondants d'un élément en céramique