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Theses Year : 2018

Development of a Digital Image Correlation setup for the characterisation of piezoelectric and ferroelectric behaviours

Développement d’un outil de Corrélation d’Images Numériques pour la caractérisation du comportement piézoélectrique et ferroélectrique

Abstract

Piezoelectric and ferroelectric materials exhibit a coupled electromechanical behaviour. This property allows a use in various kinds of applications such as sensors, actuators, harvesting devices or converters. In addition, due to their non-linear and dissipative behaviour, ferroelectric materials are increasingly used in electronic applications such as tunable capacitors, non-volatile memory, oscillators and filters. The performance and reliability of such devices depend on the material electromechanical properties, which consequently need to be characterised. In the past decades, such characterisation was largely developed and the piezoelectric, ferroelectric, ferroelastic and dielectric properties of ferroelectrics were the subject of numerous studies. Yet the test conditions are difficult to control due to the strong interplay between thermal, mechanical and dielectric properties. In this work, a full-field measurement apparatus has been designed to characterise the piezoelectric and ferroelectric strain behaviour of ferroelectric ceramics. This apparatus uses an optical setup and a 2D Digital Image Correlation (DIC) algorithm named CorreliRT3. The algorithm is based on a global approach and reduces the displacement field errors using the balance equations of solid mechanics. It is shown that piezoelectric and ferroelectric strains can be measured with an uncertainty around 10-5 by using the developed setup. This uncertainty is reached under uncoupled or coupled loading (electric field and/or stress). It is also shown that the experimental setup can control the test conditions by characterising the strain heterogeneity during the test. In the two last chapters, a ferroelectric material is characterised under electric field and stress. The material behaviour is presented and discussed in the different loading configurations. Material properties, such as the longitudinal and transverse piezoelectric coefficients (d33, d31) are extracted and analysed as a function of the electric field and stress. The results show that the DIC technique is able to measure and characterise the behaviour and the properties of ferroelectric and piezoelectric materials. DIC does not modify the test conditions, contrary to classical measurement techniques, and is able to detect test anomalies such as strain heterogeneities.
Les matériaux piézoélectriques et ferroélectriques présentent un comportement électromécanique couplé. Cette particularité leur a permis d’être utilisés dans de nombreuses applications telles que les applications de capteur, actionneur, transformateur et récupérateur d’énergie. En outre, en raison de leur comportement non linéaire et dissipatif, les matériaux ferroélectriques sont de plus en plus utilisés dans le domaine de l’électronique en tant que capacité accordable, mémoire non volatile, oscillateur et filtre. La performance et la fiabilité de ces systèmes dépendent directement des propriétés ferroélectriques et piézoélectriques du matériau, qui nécessite par conséquent d’être caractérisé. Les propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, ferroélastiques et diélectriques des matériaux ferroélectriques ont été le sujet de nombreuses études. Pourtant, les conditions d’essai restent difficiles à maîtriser car les propriétés thermiques, mécaniques et électriques de ces matériaux sont fortement couplées. Dans cette thèse, un dispositif de mesure de champ de déformation a été conçu pour caractériser le comportement piézoélectrique et ferroélectrique des céramiques ferroélectriques. Ce dispositif utilise un banc optique ainsi qu’un algorithme de Corrélation d’Images Numériques (CIN) 2D appelé CorreliRT3. Cet algorithme est basé sur une approche globale et réduit les erreurs de mesure de déplacement en s’appuyant sur les équations d’équilibre de la mécanique des solides. Grâce au banc de caractérisation par CIN, il est montré que les déformations piézoélectriques et ferroélectriques peuvent être mesurées avec une incertitude d’environ 10-5. Cette incertitude est atteinte aussi bien pour des sollicitations simples que couplées (champ électrique et/ou contrainte mécanique). Il est aussi montré que le banc expérimental permet de vérifier les conditions d’essai en caractérisant l’hétérogénéité des déformations lors d’un essai matériau. Dans les deux derniers chapitres, un matériau ferroélectrique est caractérisé sous champ électrique et sous contrainte mécanique. Le comportement du matériau est présenté et discuté dans les différentes configurations de chargement. Les propriétés matériau, telles que les coefficients piézoélectriques (d33, d31), sont extraites et étudiées en fonction du champ électrique et de la contrainte. Les résultats montrent que la CIN est capable de mesurer et caractériser le comportement et les propriétés des matériaux ferroélectriques et piézoélectriques. L’avantage de la CIN étant que, contrairement aux méthodes de mesure classiques, celle-ci ne perturbe pas les conditions d’essai (mesure sans contact) et permette de détecter la présence d’erreurs systématiques.
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tel-01943036 , version 1 (03-12-2018)
tel-01943036 , version 2 (12-02-2019)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01943036 , version 1

Cite

Valentin Segouin. Développement d’un outil de Corrélation d’Images Numériques pour la caractérisation du comportement piézoélectrique et ferroélectrique. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01943036v1⟩
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