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4 • Interaction électromécanique
Initialement tributaire des propriétés ferromagnétiques des métaux (Fer, Cobalt,
Nickel) et de leurs alliages, le développement des matériaux magnétostrictifs a bénéficié de la mise au point, durant les années 1980, d’alliages de fer et de terres
rares dotés de propriétés remarquables (déformations relatives de 10 à 50 fois supérieures à celles des métaux précédemment cités). Tel est le cas du composé connu
sous le nom de Terfenol-D (Tb 1−x Dy x Fe y avec x 0, 7 et y 2). Ce matériau
donne lieu à des déformations relatives en régime quasi-statique de l’ordre de 1 000 à
2 000 ppm (valeurs que l’on peut doubler en régime résonnant). Si les performances
intrinsèques de ces alliages, souvent qualifiés de matériaux « à déformation géante »,
sont globalement comparables à celles de leurs homologues piézoélectriques, leur
mise en œuvre en est généralement plus délicate. En effet, l’excitation d’un transducteur piézoélectrique s’effectue par le biais de simples électrodes accolées à un milieu
de grande permittivité (de l’ordre de 1 000 pour les céramiques PZT). En revanche,
la commande optimisée des actionneurs magnétostrictifs repose sur une architecture
complexe combinant bobinage d’excitation, aimant de polarisation, culasse magnétique et système de précontrainte mécanique. En outre, le champ d’excitation magnétique requis (de l’ordre de 100 kA.m
−1 ) est d’autant plus élevé que la perméabilité
du matériau est faible (inférieure à 4 dans le cas du Terfenol-D). Ainsi, hormis certaines applications particulières (hydrophones, transducteur sonar, sondage pétrolier
etc.), les actionneurs magnétostrictifs demeurent peu utilisés en conversion d’énergie
comparés aux transducteurs piézoélectriques. On peut néanmoins signaler les investigations réalisées dans le domaine des moteurs rotatifs ou linéaires à efforts élevés
et basses vitesses [55][56].
4.4.5 Polymères électroactifs
Avant de clore ce rapide tour d’horizon des propriétés électro-magnéto-élastiques de
la matière, il convient enfin d’évoquer les possibilités offertes par les polymères électroactifs. Cette famille relativement récente englobe en fait deux catégories d’effets
bien distincts.
Une première classe concerne tout d’abord le cas des polymères piézoélectriques.
De par leur nature semi-cristalline
(1) , les milieux polymères peuvent en effet être
le siège d’un couplage électro-élastique linéaire. On peut citer à titre d’exemple le
cas du PVDF de motif élémentaire (−CH 2 − CF 2 −). Les propriétés piézoélectriques
de ce type de composé sont certes beaucoup moins marquées que celles des céramiques polycristallines (les constantes de charge du PVDF sont environ 20 fois plus
faibles que celles des céramiques PZT). En revanche, la souplesse mécanique élevée
de la matrice polymère et la possibilité de travailler sous des champs relativement
intenses (supérieurs à 10 MV.m
−1 ) conduisent à des fonctionnalités complémentaires de celles des céramiques. Utilisés en tant que capteurs électromécaniques, les
polymères piézoélectriques se révèlent ainsi d’une grande facilité de mise en oeuvre.
(1) L’état semi-cristallin se caractérise par la coexistence d’une phase cristalline avec une phase amorphe.
4 • Interaction électromécanique
Initialement tributaire des propriétés ferromagnétiques des métaux (Fer, Cobalt,
Nickel) et de leurs alliages, le développement des matériaux magnétostrictifs a bénéficié de la mise au point, durant les années 1980, d’alliages de fer et de terres
rares dotés de propriétés remarquables (déformations relatives de 10 à 50 fois supérieures à celles des métaux précédemment cités). Tel est le cas du composé connu
sous le nom de Terfenol-D (Tb 1−x Dy x Fe y avec x 0, 7 et y 2). Ce matériau
donne lieu à des déformations relatives en régime quasi-statique de l’ordre de 1 000 à
2 000 ppm (valeurs que l’on peut doubler en régime résonnant). Si les performances
intrinsèques de ces alliages, souvent qualifiés de matériaux « à déformation géante »,
sont globalement comparables à celles de leurs homologues piézoélectriques, leur
mise en œuvre en est généralement plus délicate. En effet, l’excitation d’un transducteur piézoélectrique s’effectue par le biais de simples électrodes accolées à un milieu
de grande permittivité (de l’ordre de 1 000 pour les céramiques PZT). En revanche,
la commande optimisée des actionneurs magnétostrictifs repose sur une architecture
complexe combinant bobinage d’excitation, aimant de polarisation, culasse magnétique et système de précontrainte mécanique. En outre, le champ d’excitation magnétique requis (de l’ordre de 100 kA.m
−1 ) est d’autant plus élevé que la perméabilité
du matériau est faible (inférieure à 4 dans le cas du Terfenol-D). Ainsi, hormis certaines applications particulières (hydrophones, transducteur sonar, sondage pétrolier
etc.), les actionneurs magnétostrictifs demeurent peu utilisés en conversion d’énergie
comparés aux transducteurs piézoélectriques. On peut néanmoins signaler les investigations réalisées dans le domaine des moteurs rotatifs ou linéaires à efforts élevés
et basses vitesses [55][56].
4.4.5 Polymères électroactifs
Avant de clore ce rapide tour d’horizon des propriétés électro-magnéto-élastiques de
la matière, il convient enfin d’évoquer les possibilités offertes par les polymères électroactifs. Cette famille relativement récente englobe en fait deux catégories d’effets
bien distincts.
Une première classe concerne tout d’abord le cas des polymères piézoélectriques.
De par leur nature semi-cristalline
(1) , les milieux polymères peuvent en effet être
le siège d’un couplage électro-élastique linéaire. On peut citer à titre d’exemple le
cas du PVDF de motif élémentaire (−CH 2 − CF 2 −). Les propriétés piézoélectriques
de ce type de composé sont certes beaucoup moins marquées que celles des céramiques polycristallines (les constantes de charge du PVDF sont environ 20 fois plus
faibles que celles des céramiques PZT). En revanche, la souplesse mécanique élevée
de la matrice polymère et la possibilité de travailler sous des champs relativement
intenses (supérieurs à 10 MV.m
−1 ) conduisent à des fonctionnalités complémentaires de celles des céramiques. Utilisés en tant que capteurs électromécaniques, les
polymères piézoélectriques se révèlent ainsi d’une grande facilité de mise en oeuvre.
(1) L’état semi-cristallin se caractérise par la coexistence d’une phase cristalline avec une phase amorphe.