Recherche:Pastech/242-2 Piézoélectricité

Une page de Wikiversité.
Sauter à la navigation Sauter à la recherche
Début de la boite de navigation du chapitre
242-2 Piézoélectricité
Icône de la faculté
Chapitre no 6
Recherche : Pastech
Chap. préc. :242-1 methanisation
Chap. suiv. :242-3 Hydroliennes
fin de la boite de navigation du chapitre
Icon falscher Titel.svg
En raison de limitations techniques, la typographie souhaitable du titre, « Pastech : 242-2 Piézoélectricité
Pastech/242-2 Piézoélectricité
 », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.

Piézoélectricité

Sommaire

Introduction[modifier | modifier le wikicode]

La piézoélectricité permet la conversion d'une énergie mécanique en énergie électrique et inversement. Ainsi, aux premiers abords, cette technologie semble être adapté pour résoudre un des problèmes majeurs de notre société actuelle : produire de l'énergie dite "propre", c'est à dire avec un impact environnemental minimal. Cependant, la vision que nous avons a priori de technologies que nous considérons comme propres ou non, est souvent biaisée par notre manque de recherche sur le cycle complet de production d'un système. C'est pourquoi, nous avons cherché, pour le cas de la piézoélectricité, à analyser de sa découverte à aujourd'hui, comment a évolué la place de la piézoélectricité dans notre société et comment elle s'est adaptée à celle-ci; avec ses forces et faiblesses. Ainsi, nous nous sommes demandé pourquoi la piézoélectricité, système technologique innovant et à priori propre, ne permet pas de répondre aux critères énergétiques modernes mais connait tout de même une distribution croissante.

Aspect technique[modifier | modifier le wikicode]

Généralités[modifier | modifier le wikicode]

L’effet piézoélectrique est un phénomène réversible qui caractérise la capacité de certains matériaux à pouvoir se polariser électriquement lorsqu’ils sont soumis à une pression : c’est ce qu’on appelle l’effet piézoélectrique direct; et inversement, à pouvoir se déformer lorsqu’un champ électrique leur est appliqué : c’est l’effet piézoélectrique inverse.[1]

En résumé :

  • Effet direct : force appliquéetension recueillie
  • Effet inverse : tension appliquéedéformation recueillie

Quelques constantes physiques[modifier | modifier le wikicode]

A ces propriétés sont donc associées différentes constantes mécaniques et électriques, notamment un couplage entre la pression P et la tension U produite. On appelle cette constante qui relie P et U la constante de sensibilité S telle que (unités S.I, avec S en Pa/V).
La constante piézoélectrique notée ici k (en C/N), quant à elle, traduit le coefficient de proportionnalité entre la variation de charge et la contrainte. La constante de sensibilité S dépend directement de k. On a l’expression : avec k en C/N et h la largeur du cristal en m.
Finalement : [2]

C'est notamment ces constantes physiques qui vont déterminer les performances d'un matériau ainsi que l'exploitation que l'on peut en faire.

Origines de l'effet piézoélectrique[modifier | modifier le wikicode]

Schéma résumant les principes régissant la piézoélectricité

Grossièrement, les effets piézoélectriques directs et inverses sont dus à la modification du barycentre des charges, tous les processus étant liés dans les deux effets.

Dans le cas de l'effet direct, la pression exercée induit une déformation de la maille cristalline, ce qui créé une différence de potentiel. Dans le cas de l'effet indirect, ou inverse, le champ électrique appliqué modifie l'agencement des charges dans le matériau, et donc sa structure cristalline, ce qui induit une déformation.[3]

Illustration du principe piézoélectrique


Schémas fonctionnels[modifier | modifier le wikicode]

Schéma fonctionnel de l'effet inverse
Schéma fonctionnel de l'effet direct

Les grandes familles de matériaux piézoélectriques[modifier | modifier le wikicode]

Il existe de nombreux matériaux piézoélectriques, dont de nombreux ont été synthétisés en laboratoire dans les dernières décennies dans un soucis de performance. Les principaux matériaux sont les cristaux avec notamment le quartz, les oxydes ferroélectriques (titanate de baryum BaTiO3,...), les polymères (PVDN : Polyfluorure de vinylidène,...) et les matériaux composites tel que le PZT, une céramique à base de titane et de zirconate de plomb.[4] A noter que certains matériaux, notamment les polymères, ne présentent pas de caractéristiques piézoélectriques "naturellement" et ont besoin de subir un traitement pour avoir cet effet.[4]

La piézoélectricité, une technologie prometteuse ...[modifier | modifier le wikicode]

Frise relatant les débuts de la piézoélectricité dans le monde jusqu'à la fin de la 1ère guerre mondiale.

D'abord au service de la guerre[modifier | modifier le wikicode]

Une découverte d'abord réservée aux scientifiques[modifier | modifier le wikicode]

L'abbé René Just Haüy (1743-1822)

La découverte de l'effet piézoélectrique ne fût pas directe, en effet avant cela, les scientifiques ont découvert "l'électricité de pression". Cette découverte eu lieu en 1817 grâce à l'abbé René Just Haüy. "L'électricité de pression" correspond à l'apparition d'électricité sur les faces d'un cristal. Cependant, cela n'est pas de la piézoélectricité car sur les deux faces du cristal soumis à la pression, il y a le même type d'électricité. Or, la piézoélectricité correspond elle a une différence de potentiel entre les deux faces du cristal.[5]

La découverte de l’effet piézoélectrique direct se fait en 1880 par Jacques et Pierre Curie. Quant à l’effet inverse, elle se fait en 1881 par Gabriel Lippman.[6]

Mais cette technologie ne fut pas immédiatement utilisée et resta au stade de découverte. Pendant trente ans, de nombreux travaux quant au détail de son fonctionnement eurent lieu, ce qui aboutit en 1910, à la publication, par Woldemar Voigt, des vingt classes cristallines piézoélectriques.

Les Curie dans leur laboratoire avec leur assistant travaillant avec leur balance à Quartz

En fait, il y eut quelques applications mises en place par les frères Curie comme la balance à quartz piézoélectrique en 1885. On ne peut cependant pas parler d'une distribution de la technologie ; la balance à quartz est une invention que les frères Curie ne dévoilent pas, et qu'ils conservent pour leurs travaux. A ce stade, aucun profit ne semble être intéressant, il faudra attendre quelques trentaine d'années pour que naisse la première réelle application : le sonar par Paul Langevin au cours de la première guerre mondiale.

Pierre Curie (1859-1906) , un des deux frères ayant découvert l'effet piézoélectrique direct.

Le SONAR, une première application[modifier | modifier le wikicode]

Le fait que Paul Langevin soit à l’origine de la première application réelle de la piézoélectricité n’est pas un hasard, en effet, Pierre Curie et Gabriel Lippman faisaient tous deux partie du jury de thèse de Langevin.[7]

Ce sonar eut une très grande utilité durant la guerre notamment pour détecter d’autres sous marins, mais aussi toutes autres sortes d’objets métalliques tels que les mines. De nos jours, il reste commercialisé pour l'armement militaire mais il permet aussi de repérer des bancs de poisson ou encore de cartographier les fonds marins en mesurant leur profondeur.[8]

Le sonar peut jouer le rôle de capteur ou de transformateur, en effet, il peut soit émettre un son par un générateur électrique puis être attentif à sa réception, on dit alors que c’est un sonar actif, tout comme il peut aussi simplement écouter un signal, c’est un sonar passif.

Nous pouvons considérer la première guerre mondiale comme une guerre d’innovation qui se caractérise par le fait d’avoir lieu à la fois sur terre comme en mer et dans les airs. Cette première guerre mondiale a entraîné la collaboration des alliés au sein notamment de la Commission Alliée de Recherche pour la Détection des sous-marins. L’invention du sonar est souvent attribuée "à tort" à Paul Langevin, mais c'est en réalité une équipe scientifique composée de français, de britanniques ainsi que d’américains qui en est responsables. Pendant toute la première guerre mondiale, les capacités du sonar ne cesseront d’augmenter jusqu’à l’armistice où les recherches ralentiront, manque de fonds et d'envie, en vu des ravages de la guerre.

Le sonar continuera néanmoins, quelques années plus tard, à se perfectionner grâce à l'apparition de l’électronique et de la radio. Dès 1930, les bateaux de la RNS (Royal Navy Society) étaient équipés de l’ASDIC (pour Anti Submarine Detection Investigation Committee), le nom donné par les alliés à ce que les américains baptiseront SONAR durant la même décennie. Durant la Seconde Guerre mondiale, les alliés utiliseront l'ASDIC pour avoir un avantage non négligeable sur les sous marins allemands.[9]

Le sonar n’a pas uniquement été utilisé durant la guerre, il est de nos jours présent dans les sous marins, les navires de plaisance, les bateaux de pêches, et autres équipements (principalement marins) nécessitant d'être géolocalisés. Quand bien même on ne peut pas établir l'existence d'un marché de sonar, chaque bateau en est équipé ce qui fait que cette invention a déjà un léger poids dans l'économie des transports.

Dans les années 1920, Walter Cady, un ingénieur et physicien américain, va mettre en place un oscillateur à Quartz qui tout comme le sonar va avoir un très grand succès. Cet oscillateur est l'organe que nous pouvons retrouver dans nos montres par exemple. Celui-ci va vibrer en présence d'un champ électrique. L'oscillateur à quartz est connu pour sa précision, qui est notamment dû à la haute fréquence de vibration du Quartz. Walter Guyton Cady a d'ailleurs publié en 1946 un livre nommé Piezoelectricity : An Introduction to the Theory and Applications of Electromechanical Phenomena in Crystals sur la piézoélectricité que nous avons considéré comme une référence pendant de longues années.[10]

Ainsi, c’est notamment grâce aux succès de ces deux projets que dans le futur l'intérêt pour ces matériaux s’est largement répandu. C’est donc dans les années qui suivirent que la piézoélectricité gagna ces applications dans notre vie quotidienne (allume-gaz par exemple), dans l’industrie mais aussi dans la recherche.

Cependant, à cette époque les matériaux piézoélectriques utilisés avaient des rendements très limités par rapport à ceux d'aujourd'hui. C'est notamment le cas du quartz ou du dihydrogène phosphate de potassium. Si nous avions continué à les utiliser, il est certain que la piézoélectricité ne se serait pas développé de la même manière. C'est pourquoi, l'intérêt pour la recherche sur les matériaux piézoélectriques s'est développé.

Une énergie alternative durable?[modifier | modifier le wikicode]

Dalles piézoélectriques de la boite de nuit "Watt" à Rotterdam, boite de nuit se disant "éco-responsable".[11]

La piézoélectricité est une technologie qui, si nous ne nous intéressons qu'à son fonctionnement, semble durable. En effet, comme nous convertissons de l'énergie mécanique en énergie électrique, son principe semble ne pas nuire à l'environnement. Or, dans une période, où l'intérêt pour réduire son impact environnemental est grandissant, cela peut-être utilisé comme argument de vente. C'est le cas par exemple, du phénomène de "Green Clubbing". Ces boîtes de nuit proposent à leur client de produire l'énergie nécessaire au club grâce à leurs pas de danse. Ceci, se fait par l'intermédiaire de dalles piézoélectrique. Mais, cet argument est avant tout un argument commercial, plutôt qu'éco-responsable. En effet, dans un premier temps ,le rendement de ces dalles est très faible. Mais il faut aussi ajouter, que même si ces dalles produisent un peu d'énergie, il ne faut pas oublier toute l'énergie dépensée pour les créer. En effet, comme nous allons le voir, les matériaux nécessaires à la création des systèmes piézoélectriques sont très couteux énergétiquement. Pourtant, la population est attirée par ce genre de publicité car elle est souvent en manque de connaissances sur les besoins énergétiques d'un système et ce qu'il produit vraiment.[12]

Une source d'intérêt dans la recherche[modifier | modifier le wikicode]

Frise rendant compte des événements en rapport avec la piézoélectricité du début de la 2nd guerre mondiale à nos jours.

La découverte de nouveaux matériaux piézoélectriques[modifier | modifier le wikicode]

Arthur Von Hippel (1898-2003)

Pendant la Seconde Guerre Mondiale, les connaissances scientifiques des Alliés sont réunies afin de prendre de l'avance sur l'ennemi, technologiquement parlant. Cette mise en commun de la connaissance va permettre de faire de nombreuses découvertes. Or, au cours de cette période, les scientifiques se sont intéressés à des matériaux diélectriques plus efficaces, recherchant des coefficient piézoélectriques plus grands. Parmi eux, en 1944, Arthur Von Hippel démontra que le titanium de baryum est un matériau à la fois ferroélectrique mais aussi piézoélectrique. Cette découverte va notamment permettre de créer le premier transducteur piézoélectrique, grâce à quoi la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique (ou inversement) est rendue possible. Cette technologie peut être utilisée dans la formation d'ultrasons par exemple. Avec la découverte de ces nouveaux matériaux, s'ajoutent celles des céramiques qui possèdent des coefficients piézoélectriques 100 fois supérieurs à ceux déjà connus auparavant. Au cours de la guerre, le Japon ainsi que les Etats-Unis vont être amenés à découvrir les propriétés piézoélectriques intéressantes des céramiques pendant la recherche des matériaux diélectriques plus performants comme ce fut le cas pour Arthur Von Hippel. C'est à partir de ce moment là que la piézoélectricité prend son intérêt et s'ouvre au monde. Jusqu'à présent, cette technologie n'était pas viable commercialement parlant à cause de l'extrêmement faible rendement des matériaux la composant.[13]

Exemple de céramiques piézoélectrique

De nombreuses firmes internationales spécialisées dans la vente de matériaux proposent dès lors une gamme de matériaux piézoélectriques bruts. Les applications possibles de cette technologie futuriste étant variées, un schéma d'intégration verticale semble plus approprié pour "commercialiser la piézoélectricité". Le marché de la piézoélectricité commence réellement à voir le jour après trois-quart de siècle sans réel poids. Les trajectoires économiques effectives que prendront la technologie restent cependant incertaines du fait de l'éventail d'applications imaginables assez large. A cette époque, la piézoélectricité est encore méconnue du grand public mais toutes ces découvertes forment les prémices des inventions qui constituent notre quotidien.

Cependant, les céramiques découvertes à cette époque ne sont toujours pas celles utilisées aujourd'hui. En effet, dès 1954, les premières céramiques PZT (pour Plomb, Zirconium et Titanium) sont créés par des physiciens d'origine japonaise. Elles sont réputées pour posséder à la fois des propriétés ferroélectriques, piézoélectriques et pyroélectriques. Ces céramiques ont ensuite été longuement retravaillées pour obtenir des coefficients piézoélectriques plus importants. C'est ainsi qu'aujourd'hui, nous utilisons notamment deux céramiques : PZN-PT et PMN-PT, lesquelles sont synthétisées vers 1980.[14]

La piézoélectricité qui s'inscrivait alors comme une source d'énergie "verte" devient polluante, la présence de plomb, de zirconium et d'autres éléments dangereux (autant pour l'environnement que pour l'homme) inquiètent les chercheurs qui remettent en cause leurs découvertes.

Multiplication des investissements[modifier | modifier le wikicode]

A partir de 1953, les Etats-Unis décident de largement investir dans la recherche et le développement. Ils réussissent de cette façon à attirer de nombreux scientifiques et, par conséquent, à réunir un ensemble de connaissances sur la piézoélectricité, là où l'Europe reste pendant longtemps en marge d'une avancée sur le sujet, chaque pays européen possédant sa propre équipe de recherche. C'est pourquoi en 2008 est créé le Piezo Institute. Celui-ci est composé d'environ 150 chercheurs qui viennent à la fois du monde académique mais aussi industriel. On assiste depuis peu à une mise en commun de l'information due à l'intérêt croissant porté par cette technologie.[15]

Logo du PiezoInstitue, Institut de recherche sur la piézoélectricité en Europe[16].


En effet, comme nous pouvons le voir sur notre graphique représentant la somme du PIB alloué à la recherche et au développement en fonction des pays en 2004. Nous observons, que la France et l'Allemagne seuls, ne peuvent pas rivaliser face aux Etats-Unis et au Japon, par contre, l'Europe entière oui, ce qui explique le choix de réunir à la fois les investissements et les connaissances liés à la piézoélectricité.

Graphique de la somme du PIB allouée à la R&D pour différents pays en millions d'euros [17]


Les recherches actuelles, que ce soit en Europe, au Japon ou aux Etats-Unis, se font notamment autour de deux angles. Tout d'abord, nous sommes dans une période où nous recherchons à diminuer la taille de l'ensemble des technologie qui composent nos appareils. C'est pourquoi il est intéressant de miniaturiser au maximum la taille des systèmes piézoélectriques, afin que ceux-ci s'adaptent aux nanotechnologies par exemple. Enfin, nous sommes dans une période de crise écologique, la situation est critique et pourtant peu prise au sérieux. L'impact environnemental des différentes technologies que nous utilisons, dont la piézoélectricité, peut être très élevé, cependant nous continuons de les exploiter largement. Des recherches sont ainsi mises en œuvre afin de découvrir des matériaux moins polluants et plus respectueux envers l'environnement mais qui conservent les mêmes capacités.[15]

Une technologie avec des applications spécifiques[modifier | modifier le wikicode]

La piézoélectricité reste cependant plus adaptée que d'autres technologies (pour l'instant) dans certains de nos produits quotidiens. Bien qu'elle soit connue depuis plus d'un siècle et demi, les applications qu'on lui réserve sont assez limitées en raison des forts coûts liés aux matériaux nécessaires à son utilisation. Au vu du potentiel important de l'effet piézoélectrique (puisqu'il concerne les deux sources les plus propres d'énergie), de plus en plus d'idées d'applications émergent majoritairement dans le domaine de l'électronique "high-tech".

Il va sans dire que la plupart des exemples cités ci-dessous ne parlent pas au citoyen lambda tant ils sont spécifiques. En ajoutant à cela le fait que les informations concernant la technologie n'émergent pas de base, il est difficile de cerner la totalité des applications que peut prendre cette technologie, il est toutefois possible d'en citer quelques-unes concrètes et qui sont commercialisées de nos jours.

Alors que la piézoélectricité est vendue comme l'avenir de la création d'électricité, les projets de grandes envergures présentés par les médias ne verront certainement pas le jour de si tôt. Cependant, elle semble s'être dessinée une trajectoire toute autre (voir ...)

Les conversions mécano-électriques (récupération d'énergie primaire)[modifier | modifier le wikicode]

Application de la piézoélectricité : allume gaz

L'une des premières applications à usage grand public est l'allume-gaz, même si dans les foyers modernes, la plupart des plaques de cuisson ne nécessitent plus son utilisation, il reste utilisé et commercialisé pour les "vieilles" cuisinières. Là où ce système paraît simple, c'est-à-dire qu'il "suffit" de créer et maintenir une petite flamme, il s'avère que l'effet piézoélectrique est un candidat idéal pour produire la source d'énergie nécessaire au démarrage de la flamme. L'énergie électrique libérée lors de la compression est tellement concentrée, dans le temps et dans l'espace, qu'elle fournit une tension suffisante sur quelques millimètres pour atteindre la tension de claquage de l'air (qui correspond à la tension minimale à appliquer à un isolant pour qu'il devienne conducteur de charges) , si bien qu'elle crée un petit arc électrique qui cédera l'énergie (environ 10 mJ) pour former la flamme en question.[18]

De petites applications se basant sur l'énergie motrice humaine émergent aussi parmi les quelques personnes ayant conscience de l'existence de cette technologie, on peut notamment citer des basket ou t-shirt avec céramiques piézoélectriques pour recharger des petits appareils électroniques, ou encore des téléphones portables aux composants piézoélectriques en mouvement qui convertiraient l'énergie cinétique en électricité…[19]

D'autres applications encore en développement sont la micro-source et l'interrupteur sans-fil, cette fois réellement méconnues du grand public. Le but de la micro-source est d'utiliser les vibrations de l'environnement pour réactiver des réseaux potentiellement abandonnés sensibles aux dites variations. Cette application est la plus prometteuse car l'installation de réseaux filaires coûtent très cher autant en matériel qu'en manoeuvre, les WSN (Wireless Sensor Network) pourraient s'inscrire comme l'alternative de demain. L'interrupteur sans-fil fonctionne quand à lui comme générateur très haute fréquence, lorsqu'on lui exerce une force de pression, détecté par un capteur situé au niveau de la zone qu'on cherche à atteindre. Seulement son coût est 10 fois supérieur à celui des interrupteurs classiques, notamment à cause de la nécessité de le coupler à un récepteur radio. Cela l'empêche pour l'instant de se développer auprès du grand public.[18]

Les conversions électromécaniques (génération d'ondes et actionnements)[modifier | modifier le wikicode]

Comme cité précédemment, le SONAR est sans doute l'application la plus aboutie de la conversion électromécanique, cependant il existe d'autres potentiels concurrents qui sont tout autant attirants ; on peut notamment citer les actionneurs piézoélectriques, et les générateurs d'ultrasons.

Les actionneurs piézoélectriques permettent la réalisation de matériel de mesure acoustique ou optique très précis du fait des propriétés du quartz (fréquence d'oscillation), ou encore le positionnement de précision dans les appareils électroniques (type microscope) en raison des faibles déformations subies. On les utilise aussi dans le milieu de l'automobile, pour l'injection des moteurs diesel ou la suspension des véhicules.[18]

Dans le domaine des télécommunications, les propriétés piézoélectriques du quartz sont très utiles car celui-ci peut vibrer à de très hautes fréquences. Les mini-résonateurs à quartz peuvent produire des fréquences très précises. Ils sont aussi utilisés dans l'horlogerie ou dans le domaine spatial.[20]

Il est en revanche difficile d'établir tous les exemples d'applications dans le cas des générateurs d'ultrasons car la gamme de fréquence atteinte est très large (50kHz - 10Mhz). On peut tout de même aussi évoquer des projets applications dans le domaine médical (en imagerie comme en bionique), comme des pacemakers piézoélectriques.[21]

Le transformateur électrique[modifier | modifier le wikicode]

Enfin, il est évident que le plus grand intérêt de la piézoélectricité est de pouvoir jongler entre électricité et déformation, et lorsqu'on est amené à utiliser les deux effets (direct et inverse) on parle de transformateur électrique.

Les prémices des transformateurs piézoélectriques datent de 1956, et furent étudiés par Charles Abraham Rosen à qui on doit le transformateur piézoélectrique portant son nom. Le but étant à l'époque de fabriquer des transformateurs électriques alignant efficacité, compacité et petite taille, fonctionnant comme élévateur ou abaisseur de tension. Même si ces travaux ne marquent pas le début d'une industrialisation des transformateurs piézoélectriques, ils sont réétudiés une quarantaine d'années plus tard par des compagnies japonaises, et particulièrement par NEC (Nippon Denki) qui introduit son propre transformateur (qui est en fait une amélioration du TP que l'on doit à C.A. Rosen) dans des applications assez spécifiques. L'intérêt du transformateur NEC est à la fois l'absence d'influence sur les propriétés électromagnétiques des autres composants de leur système et aussi leur petite taille.[22]

A cause (ou grâce) à la tendance à la miniaturisation, le transformateur piézoélectrique a connu un gain d'intérêt et une multiplication des applications en électronique de puissance depuis les vingts dernières années. L'alimentation de tubes photomultiplicateurs, le rétro-éclairage d'écran LCD ou encore l'isolement galvanique de capteurs sont autant d'exemples d'application actuelles de la technologie.[22]

Des recherches sont à l'heure actuelle encore menées pour améliorer l'alimentation des lampes fluo-compactes via l'utilisation de transformateur piézoélectriques à moyenne tension, ces dispositifs sont commercialisés par des entreprises japonaises (NEC et Tamura) et ont des densités de puissance allant jusqu'à 1W / cm3. En basse tension ils sont aussi utilisés pour l'intégration des blocs d'alimentation AC/DC.[22]

… Mais décevante macro-énergétiquement parlant ...[modifier | modifier le wikicode]

Un impact environnemental non négligeable[modifier | modifier le wikicode]

La synthèse du quartz, un procédé énergivore[modifier | modifier le wikicode]

Le quartz de synthèse[modifier | modifier le wikicode]

Cristal de quartz de synthèse

Le quartz est un des matériaux piézoélectriques les plus utilisés, notamment dans l'horlogerie. Il s'agit d'une forme cristalline de silice. Il existe des gisement naturels exploitables au Brésil, à Madagascar ou encore en ex-URSS.[23]

Cependant, le quartz naturel ne peut pas être utilisé en piézoélectricité car il est de qualité insuffisante pour pouvoir exploiter ses propriétés de manière intéressante. Il est rarement sous forme de monocristaux et peut comporter des inclusions liquides, gazeuses (quartz aérohydres ou solides).[14]

Schéma d'un autoclave

Il est donc nécessaire de synthétiser artificiellement ce cristal par dissolution hydrothermale. Ce procédé est très énergivore car il est long et nécessite des conditions de température et de pression très élevées.

La dissolution hydrothermale[modifier | modifier le wikicode]

Pour synthétiser le quartz, il doit être soumis à des conditions permettant sa dissolution dans l'eau. Ainsi, sa production artificielle nécessite un milieu à une température comprise entre 300 et 400°C. De plus une pression entre 50 et 300 MPa doit être assurée (environ 1500 fois la pression atmosphérique). Ces paramètres sont atteint dans des enceintes appelées autoclaves.

Le haut de l'autoclave contient des germes, taillés en lames de manière à favoriser leur direction de plus grande croissance cristalline. Le bas est constitué du matériau de base, de la silice en général. La silice est soumise à une température plus élevée que les germes, provoquant un déplacement du fluide hydrothermal du bas vers le haut. Il se refroidit alors et sursature, ce qui permet l'apparition de cristaux de quartz autour des germes. Le phénomène d'apparition spontanée des cristaux est appelé nucléation, et peut également se produire dans l'autoclave. Ce processus est proche de celui se produisant naturellement dans les géodes, avec les fluides hydrothermaux terrestres.

Ce processus est long car la vitesse de croissance cristalline est de l'ordre d'un millimètre par jour. Il faut plusieurs semaines pour obtenir entre 0,5 et 1 kg de cristal[14]. Les cycles de ce processus durent ainsi plusieurs mois.

Bilan énergétique au cours du cycle de vie[modifier | modifier le wikicode]

Graphe représentant le taux de retour énergétique du quartz

La dissolution hydrothermale est très coûteuse en énergie car elle nécessite des conditions très particulières sur de longues durées. D'après une simulation réalisée sur la base de données CES Edupack 2018 Niveau 3, le retour énergétique du quartz est ridicule si on prend en compte l'ensemble de son cycle de vie. En effet pour un générateur nécessitant 5 grammes de quartz, il faut 3,1 MJ pour le procédé de fabrication du matériau. A titre de comparaison, c'est presque autant que l'énergie développée par l’explosion d'un kg de TNT[24]. Or les générateurs à quartz produisent par effet direct, des puissances seulement de l'ordre du microwatt (puissance d'une diode électroluminescente standard par exemple). D'après nos calculs, il faudra près de 1000 ans de fonctionnement au générateur pour produire l'équivalent d'1% de l'énergie nécessaire à sa fabrication, s'il est encore en état de fonctionner au bout d'une telle période. Et encore nous n'avons pas pris en compte l'énergie nécessaire au transport ou traitement en fin de vie par exemple, par faute de données. Cela montre bien à quel point les générateurs à quartz ne sont pas un moyen durable de produire de l'électricité.

Les P.Z.T., performants mais très nocifs[modifier | modifier le wikicode]

Un matériau piézoélectrique des plus efficaces[modifier | modifier le wikicode]

Structure cristalline (type pérovskite) des matériaux P.Z.T.

Les PZT (Titano-Zirconate de Plomb) sont des matériaux de formule chimique . Ils furent découvert en 1952 à l'Université de Tokyo par les chercheurs japonais Takeda et Shirane, puis, en 1954, les scientifiques américains Jaffe, Roth et Marzullo mettent en évidence de leurs excellentes propriétés piézoélectriques[25].

Les matériaux PZT appartiennent à la famille des pérovskites dont la majorité des éléments présentent une structure cristalline commune particulière (,, , ...), ainsi q'une grande variété de propriétés (ferroélectrique, ferromagnétique, piézoélectrique,..) selon les cations (ions chargés positivement) et qui les composent.

Dans le cas des PZT, leurs importantes propriétés mécaniques, diélectriques et piézoélectriques (mais aussi pyroélectrique et ferroélectrique) justifient largement leur grande place dans le milieu de l'industrie (où ils sont principalement utilisés sous la forme de céramiques). En effet, les céramiques PZT résistent bien aux agents chimiques, à la corrosion et à la chaleur avec notamment une température de Curie élevée (il s'agit de la température à laquelle le matériau perd sa propriété piézoélectrique). Les pertes mécaniques et diélectriques sont très faibles et son coefficient piézoélectrique, qui donne une idée de la performance piézoélectrique, est très élevé dépassant les , (voire proche de selon les types de P.Z.T., ce qui correspond à un allongement du matériau de mètre pour une tension de 1 volt) alors que, à titre de comparaison, celui du quartz n'est que de , soit 100 à 200 fois moins.

Cependant, les PZT sont rarement utilisés dans leur forme pure dans le milieu industriel mais plutôt avec des dopants de trois types différents. L'utilisation de ces dopants engendre des PZT particuliers (PZT dit durs ou doux et des PZT à dopants isovalents beaucoup moins fréquents[26]) qui voient alors certaines propriétés améliorées au détriment d'autres potentiellement moins pertinentes pour les usages qu'on désire en faire. Les propriétés peuvent alors être plus ou moins ciblées, faisant du PZT un matériau piézoélectrique des plus efficaces.

Le plomb, un vrai désastre sanitaire et environnemental[modifier | modifier le wikicode]

Malheureusement, les PZT ne sont pas la solution parfaite du point de vue environnemental et, le principal problème, loin d'être négligeable, est que, comme son nom l'indique, le PZT contient du plomb (jusqu'à 60%) qui est considéré comme un polluant très toxique pour l’environnement et les êtres vivants.

Le plomb peut pénétrer dans notre organisme de deux manières : par ingestion (directement avec des potentielles traces de plomb sur les doigts ou indirectement par l'ingestion des aliments contaminés au plomb) ou par inhalation de poussières ou de fumées contenant des résidus de plomb[27]. En revanche, il ne passe pas à travers la peau. En moyenne, 1 à 2% du plomb pénétrant dans l'organisme va aller dans le sang, 5 à 10% dans les tissus et 90% dans les os. La demi-vie du plomb dans notre organisme après exposition est de 15 à 20 ans[28], c'est-à-dire que ce n'est qu'au bout d'une quinzaine que la quantité de plomb dans notre corps atteindra la moitié de la quantité initiale de plomb ingéré. Il s'élimine alors extrêmement lentement ce qui fait que plus on est exposé au plomb, et plus la quantité de plomb dans notre corps va s'accumuler engendrant des effets graduellement dangereux en fonction de notre concentration de plomb dans le sang ou plombémie.

Les effets du plomb apparaissent principalement :

  • au niveau du système nerveux : troubles de l'humeur et de la mémoire, détérioration des capacités intellectuelles avec baisse de coefficient intellectuel, atteinte des nerfs moteurs périphériques
  • au niveau des reins : perturbation des fonctions d'élimination, insuffisance rénale chronique
  • au niveau du sang : diminution de la production de globules rouges (anémie)
  • au niveau du système digestif : coliques de plomb (douleurs abdominales)

Il peut également causer des anomalies au niveau de la reproduction en déréglant la production de sperme chez l'homme et en provoquant des soucis de grossesse chez la femme avec augmentation du risque d'avortement. Plus grave encore, au delà d'une concentration de dans le sang, le plomb peut être mortel chez l'enfant qui est une cible particulièrement plus sensible car pour une même plombémie que chez l'adulte, les effets chez l'enfant sont bien plus dangereux. On considère qu'à partir , les effets néfastes apparaissent sachant que la valeur de référence en moyenne chez l'adulte est de , et chez l'enfant de et que la plombémie est considérée normale à [29].

Effets sur l'organisme en fonction de la plombémie (concentration de plomb en µg par litre de sang)

Ensuite, le plomb agit fortement sur notre environnement aussi bien l'atmosphère que la lithosphère ou l'hydrosphère. Présent naturellement dans le sol à auteur de quelques dizaines de mg par kg de sol[30], il n'en est pas moins écotoxique. Il provoque entre autre l'acidification des milieux (terrestre et aquatique) et des tissus vivants comme l'écorce, facilitant sa solubilité et sa mobilité dans l'eau. Il est alors très toxique pour les animaux de ces milieux qui l'ingèrent et plus particulièrement les mammifères qui subissent plus ou moins les mêmes symptômes que les humains. Par exemple, dans l'eau à 0,2 mg/L la faune aquatique s'appauvrit et à partir de 0,3 mg/L les premières espèces de poisson commencent à dépérir[31]. En milieu acide, les végétaux ont plutôt tendance à absorber et à accumuler plus de plomb ce qui provoque de petites anomalies cellulaires bien que vu de l'extérieur ils n'ont pas l'air différent. En tant que contaminant du sol, il est très stable : sa demi-vie géochimique, c'est-à-dire le temps au bout duquel la moitié de ce plomb s'est dispersée dans l'environnement, serait d'environ 7 siècles ce qui fait qu'il s'accumule grandement dans la lithosphère occupant certaines parties du sol. Il provoque également l'eutrophisation aquatique et terrestre, c'est-à-dire qu'il va venir favoriser la croissance excessive des plantes et algues du milieu créant un important déséquilibre de l'écosystème considéré. Enfin, dans l'air, le plomb peut être plus facilement inhalé par les êtres en surface et contribue à l'appauvrissement de la couche d'ozone qui nous protège des rayons UV du soleil.

Dans les années 1970, une prise de conscience, des pays européens notamment, s'effectue vis-à-vis de tous les dangers du plomb. Certains d'entre eux interdissent par exemple la peinture au plomb pour les bâtiments d’habitation et envisagent également d'autres restrictions. La batterie au plomb est alors la principale utilisation, représentant encore actuellement 71% des applications. Dans les années 1980, on atteint un pic de production de plomb qui tend alors à décroître.

C'est au début des années 2000, qu'en réponse aux problématiques environnementales liées à l’usage de substances toxiques dans les équipements électriques et électroniques, l’Union Européenne a imposé des directives portant sur les déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) (déchets qui contiennent généralement de nombreux éléments difficilement recyclables ou valorisables comme des métaux lourds) et des restrictions sur l’utilisation de substances dangereuses (Restriction of Hazardous Substances, RoHS). Pour un certain nombre d’applications domestiques et industrielles, l’usage de constituants dont le plomb a été limité à une concentration massique de 0,1%[32].

Cependant, ces directives spécifient certaines exceptions dont les céramiques piézoélectriques. Ainsi, l’usage du plomb reste autorisé dans les céramiques PZT, jusqu’à ce qu’un matériau alternatif aussi performant ne soit identifié ce qui forcerait les industriels à réduire la concentration massique dans leurs céramiques à 0,1 %.

Il semble alors nécessaire de rechercher des matériaux sans plomb capables de remplacer le PZT avec des performances proches. Ainsi, on remarque que les recherches et les publications sur les matériaux piézoélectrique sans plomb ne cesse de croire depuis le début des années 2000 et les potentiels remplaçants du P.Z.T. semblent nombreux. Des recherches sont envisagées afin de réussir à améliorer les propriétés de certains matériaux piézoélectriques déjà connus depuis au moins aussi longtemps que le PZT comme le Titanate de Baryum ( ) ou le Niobate de Lithium (). Cependant, les matériaux étant le plus souvent sujet d'études (environ 80% des publications de la dernière décennie sur les piézoélectricités sans plomb) sont les KNN () et les BNT () ainsi que leurs dérivés[33]. Ces sont les matériaux sans plomb dont les propriétés électriques (diélectrique et piézoélectrique) se rapprochent le plus de celles du PZT. Malgré leurs propriétés diélectriques et piézoélectriques très bonnes, ces matériaux ne parviennent pas à égaler le PZT qui reste encore maintenant le matériau dominant pour les systèmes piézoélectriques. Des pistes diverses de recherches continuent actuellement à être explorées.

Comparaison des propriétés électriques entre le PZT et les piézoélectriques sans Plomb

Un retour énergétique déplorable[modifier | modifier le wikicode]

Le plomb n'est pas le seul inconvénient de ce dispositif piézoélectrique. En outre, l'extraction des matières premières et la synthèse des céramiques PZT sont également très impactantes.

Tout comme pour la synthèse du quartz, certaines étapes nécessitent des températures très élevées allant jusqu'à 1300°C[34]. Le procès est donc très énergivore. De plus, une grande quantité d'énergie (pour finir des températures proches de 1200°C) est utilisée pour l'extraction du zirconium, ressource dont la majorité des réserves se trouve au niveau de zone de forte érosion (sable des plages par exemple) en Australie et en Afrique du Sud[35].

En évaluant l'énergie produite par un système de production d'énergie utilisant une céramique de PZT (d'une durée de vie supérieur à cycles) et celle consommée lors de l'extraction des ressources et de la fabrication de la céramique, on se rend compte que sur une période arbitraire de 1000 ans (choisie afin d'être visible sur le diagramme), le retour énergétique du système est complément aberrant. Le système produit une puissance allant jusqu'à 100 µW[36] ce qui revient, sur 1000 ans, à une énergie de 876 Wh. En contrepartie, l'extraction du zirconium, du plomb et du titane indispensables pour la réalisation de notre céramique demande une énergie d'un peu plus de 19 000 Wh, soit 22 fois plus environ (visible sur le diagramme ci-dessous). Cette énergie est supérieure à celle dégagée par le combustion d'un kilogramme d'essence[24] ,pour un système de poids moyen, utilisant environ 302g de céramique. En ramenant à l'échelle de la vie humaine d'une centaine d'année, l'énergie produite est alors encore plus négligeable par rapport à celle mise en jeu seulement pour la fabrication.

Graphique représentant le taux de retour énergétique du PZT (sur 1000 ans)

Une source d'énergie microscopique, fort potentiel économique.[modifier | modifier le wikicode]

Un potentiel économique autre que la production électrique[modifier | modifier le wikicode]

La piézoélectricité est un moyen microscopique de production d'électricité (quelques Watts/cm^2 au maximum). De plus, comme vu plus haut dans le paragraphe portant sur l'impact environnemental, les générateurs piézoélectriques ont un retour énergétique déplorable sur l'ensemble de leur cycle de vie. Ce n'est donc pas la production électrique qui fait le potentiel économique de cette technologie, étudions ensemble un exemple pour s'en convaincre.

Imaginons l’installation de tout un système de plaques piézoélectriques, comme celles utilisées dans les boîtes de nuit berlinoises, dans l’entrée du restaurant universitaire sur une surface de 3m² environ. Cela représenterait donc déjà l’installation de 55 plaques piézoélectriques coûtant chacune 130 €. A cela, il faut également ajouter des coûts secondaires (pose des câbles, protections, système de stockage d’énergie) représentant environ 2000€. On aurait alors un coût total d’installation d’environ 9000€.

Pour pouvoir calculer un retour sur investissement il faut que nous établissions un nombre moyen de passants par jour. On peut établir cette moyenne à 1600 passages aller et retours en faisant varier ce chiffre pour les vacances scolaires par exemple où le campus est bien moins actif. En estimant alors la masse moyenne des passants à 70 kg et à 0,4 J.kg-1.m-1 l’action mécanique exercée sur le sol par un passant à allure normale. On peut alors déterminer l’énergie électrique qui serait dégagée par un tel système à 2,14kWh/an ce qui équivaut à un petit panneau solaire. Cette énergie représenterait alors un coût de 0,92€.

On reconnaît alors aisément que la durée d’amortissement sera bien trop élevée, rendant ce genre de système économiquement inintéressant.

Il n’existe alors que très peu de systèmes standardisés piézoélectriques en tant que moyen de production électrique.[37]

Bilan économique depuis la création[modifier | modifier le wikicode]

Bien que plusieurs tentatives visant à se servir de cette technique comme producteur d'électricité aient été mises en oeuvre, on ne peut pas parler de réelle commercialisation de la piézoélectricité avant 1990. A sa découverte et bien qu'elle représentait un fort potentiel, cette "source d'énergie" n'était pas utilisée afin de compléter des besoins énergétiques naissant. Au fil des années, les applications étant trop spécifiques et les matériaux pas suffisamment efficaces, l'économie a fait profil bas pour s'orienter vers la recherche malgré l'apparition des premiers systèmes piézoélectriques, notamment les transformateurs en 1956. Les questions alarmistes autour de l'environnement dans les années 2000 ont multiplié les idées d'applications grande échelle permettant de récupérer de l'énergie "gratuitement", comme des bâtiments captant l'énergie du vent, des chaussures piézoélectriques, des routes auto-alimentées, etc.[38]

Le "green-washing" qu'a subi la piézoélectricité avec les médias durant les dernières années a faussé son développement et son insertion comme concurrent dans l'industrie de l'énergie. En effet, même s'il s'agit bien là d'un système de conversion énergétique, les trajectoires économiques effectives qu'il a pris sont plus complexes et c'est dans l'électronique de puissance que la technologie a su se trouver une véritable place... [39]

Son champ d'application étant assez vaste et son utilisation trop complexe, la plupart des composants des systèmes piézoélectriques ne sont pas destinés à la directe commercialisation . Celle-ci commence par la vente des matériaux piézoélectriques presque exclusivement réservés aux grossistes, distribués par des entreprises spécialisées dans la piézoélectricité : PI Ceramic, Piezosystem Jena et APC International, ou par de plus gros producteurs de matériaux en tout genre (Murata Manufacturing, Morgan Advanced Materials, Solvay, etc.).[40]

Ces matériaux sont la plupart du temps directement utilisés pour former des sous-systèmes de produits finis (dans divers domaines comme l'automobile, l'aviation, les télécommunications, la médecine...) qui eux ne sont pas, ou très peu, vendus en pièces séparées. Les transformateurs piézoélectriques font toutefois exception à la règle et ont moins de difficulté à être trouvés sur Internet, présents sous deux modèles : Rosen ou NEC.[22]

Il est difficile de quantifier précisément ce que rapporte la piézoélectricité chaque année, les composants piézoélectriques n'étant qu'un "plus" ou un micro-élément des produits se basant sur l'effet piézoélectrique. L'amont de l'industrie est cependant quant à lui plus facilement quantifiable et c'est ce qui constitue son marché.

A l'intérieur de celui-ci, on retrouve les concurrents et les consommateurs déjà mentionnés ci-dessus. Les produits de substitution sont souvent d'autres matériaux capables de produire de l'électricité par conversion comme les thermoélectriques, les pyroélectriques ou bien des matériaux avec des propriétés électromagnétiques particulières comme les ferroélectriques. Il existe plusieurs entrants potentiels qui pourraient séduire davantage et gonfler le marché en répondant aux "obligations" écologiques, la recherche est donc orientée vers des matériaux autant performants mais moins polluants. Enfin, bien que nous devions parler "d'obligations" écologiques, les pouvoirs publics sont assez laxistes sur le déploiement de la technologie malgré les aspects moins séduisants évoqués plus tôt. La piézoélectricité trouvant des applications dans la miniaturisation dont nous dépendons un peu plus chaque jour, il paraît en effet complexe de stopper un processus déjà enclenché.[40]

Au vu des aspects moins attrayants de la piézoélectricité déjà évoqués, rien empêche d'émettre l'hypothèse d'une valorisation de l'économie au détriment de l'écologie.

Un lock-in dans les micro-technologies ?[modifier | modifier le wikicode]

Trajectoires possibles de la technologie

Les systèmes piézoélectriques font partie des MEMS (micro-electromechanical system) : des composants combinant au moins une fonction mécanique avec au moins une fonction électrique. En effet, elle en représente presque la moitié. Si nous analysons donc ce marché, il apparait alors la tendance du marché des piézoélectriques. Les MEMS comprennent également les pyroélectriques et ferroélectriques.

Ce marché est en plein essor. Malgré un début lent, resté anecdotique jusque dans les années 2000. C’est en 2010 qu’ils sortent réellement pour la première fois du milieu industriel lors de la création de la Wii et de l’intégration de gyroscopes dans les téléphones. Aujourd'hui, tous les téléphones en sont dotés et le champ d’action des MEMS s’est encore élargi aux têtes d’impression pour les imprimantes.  Ainsi, ce marché représentant aujourd'hui 20 milliards de dollars soit l’équivalent de tout le budget de recherche de la France, a une prévision d’évolution de 100 % jusqu’en 2025. Le taux de croissance annuel moyen actuel est même de 13 %. En effet, ces systèmes piézoélectriques sont fortement utilisés en tant que système embarqué dans tout le secteur automobile et digital en tant qu’accéléromètre ou capteur de pression par exemple.

Il apparaît actuellement donc une tendance en faveur d’un lock-in dans les micro-technologies high-tech pour les systèmes piézoélectriques.[41]

Et pourtant, de plus en plus d'entreprises en font aujourd'hui usage : exemple de l'entreprise FELCO[modifier | modifier le wikicode]

Un exemple parmi tant d'autres de sociétés ayant opté pour la technologie de la piézoélectricité pour innover est celui de l’entreprise suisse FELCO. Spécialisée dans la fabrication et la construction d’outils de jardinage, elle a modifié en 2011 la solution technique utilisée pour ses sécateurs électriques, à savoir les moteurs à courants continus, et a opté pour des systèmes exploitant la réversibilité de l’effet piézoélectrique.L’entreprise a ainsi demandé au Laboratoire d'actionneurs intégrés (LAI) de faire l'optimisation et la conception de moteurs piézoélectriques à intégrer dans ses sécateurs.[42]

Cette entreprise installée dans la Watch Valley près de Neuchâtel (Suisse), a été fondée en 1945 par Félix Flisch. Leader mondial de son marché , elle produit depuis 60 ans des outils de taille, essentiellement des sécateurs en aluminium matricé. Principalement orientée vers une clientèle fidèle de professionnels, d'horticulteurs et de paysagistes, elle produit chaque année pas moins d'un million d’outils dont 80% sont des sécateurs. D'après l'entreprise, son principal objectif reste la production d'outils légers, démontables, et garantis à vie. Elle emploie 150 personnes et a réalisé un chiffre d’affaires d’environs 25 millions d’euros [43]

Stratégie de l'entreprise dans son usage de la technologie[modifier | modifier le wikicode]

Le moteur piézoélectrique[modifier | modifier le wikicode]

Afin de comprendre et d'émettre des hypothèses qui tiennent debout sur la stratégie mise en place par l'entreprise FELCO, il est indispensable d'avoir quelques notions sur le principe de fonctionnement et de fabrication des moteurs piézoélectriques en comparaison avec celui des moteurs à courant continu.

Les moteurs piézoélectriques ont généralement recours au phénomène de propagation d’ondes dans des surfaces ou des volumes métalliques. Ils sont composés d'un anneau de céramique PZT ( matériau piézoélectrique), collé à une structure métallique annulaire également, jouant le rôle du stator. L’anneau piézoélectrique est excité à l’aide d’un champ électrique de fréquence variable et crée ainsi un effort mécanique oscillatoire, transmis directement au stator qui se met à osciller à son tour. En posant un disque libre de rotation directement sur le stator, on obtient un mouvement de rotation continu, qui peut être facilement transmis au rotor[44] . Le moteur piézoélectrique est donc en apparence bien plus simple de fabrication que le moteur à courant continu, et nécessite moins de matériaux. Cet avantage a naturellement été exploité par l'entreprise dans la réalisation de ses sécateurs, et il n'est pas le seul d'ailleurs.

Les avantages du moteur piézoélectrique en faveur des innovations de FELCO[modifier | modifier le wikicode]

L'entreprise FELCO a mis à profit de ses travaux les nombreux avantages que présentent les moteurs piézoélectriques par rapport aux moteurs à courant continu. En effet, bien que la piézoélectricité ait un faible rendu en matière de production d'électricité à usage général, son intégration dans des systèmes à petite échelle à l'image des petits moteurs permet de produire suffisamment d'énergie pour mettre en marche les sécateurs.

Comme mentionné précédemment, FELCO est une entreprise orientée vers le marché professionnel, là où il y'a forcément une meilleure connaissance de la technologie de la piézoélectricité que chez des particuliers, et donc plus de facilité à promouvoir et commercialiser les produits. L'entreprise, dans sa stratégie, a donc principalement misé sur trois grandes valeurs: la qualité et la performance du produit, son prix, puis la santé et la sécurité des utilisateurs [43]. Des valeurs que l'usage de la piézoélectricité lui a permis de bien mettre en évidence.

Qualité et performance du produit[modifier | modifier le wikicode]

L'utilisation de la piézoélectricité a permis à FELCO d'assurer la très grande qualité ainsi que la durabilité et l'efficacité des sécateurs qu'elle produit, ceci en partie grâce à la puissance massique élevée délivrée par un moteur piézoélectrique en comparaison avec un moteur à courant continu. Bien que le couple en sortie du moteur soit élevé, la vitesse elle,est relativement faible, mais permet tout de même d'assurer la bonne marche du sécateur. Cette vitesse faible dissout le rôle d'un réducteur de vitesse ce qui rend le système plus petit, plus léger, et plus facile à insérer au cœur du mécanisme. La piézoélectricité étant une technologie opérant à l'échelle microscopique ( rappelons nous le rôle des mailles cristallines d'un matériau et ses centres de charge dans la compréhension du principe de la piézoélectricité) , elle est ultra sensible aux sollicitations électriques et mécaniques extérieures. Le moteur piézoélectrique en est donc cent fois plus réactif que le moteur à courant continu et est naturellement bloqué à l'arrêt sans consommer d'énergie supplémentaire [44] .

Le facteur prix[modifier | modifier le wikicode]

Les moteurs piézoélectriques exploitent, comme mentionné précédemment, la propriété de réversibilité de la technologie en créant un mouvement mécanique à partir d'une sollicitation électrique. Afin de délivrer une très grande puissance, le besoin d'une source électrique à haute fréquence se fait ressentir. L'alimentation réseau est complexe et nécessite de très grandes installations qui doivent être maintenues, ce qui augmente naturellement le coût de production. Sans oublier que l'usage de la piézoélectricité, en tant que technologie méconnue nécessitant un développement et une fabrication de céramiques, augmente en lui même les frais. Cette augmentation des coûts risque de déplaire à certains, mais pas totalement à l'entreprise FELCO. Cette entreprise étant orientée vers le marché professionnel, ses clients font dans la plupart du temps un lien étroit entre le facteur prix et la qualité du produit. Plus son prix est relativement élevé, plus cela renseigne sur sa performance et sa durabilité, ce qui naturellement augmente les ventes et améliore la commercialisation [44].

Santé et sécurité des utilisateurs[modifier | modifier le wikicode]

A l'inverse d'un moteur à courant continu, plus besoin d'un champ magnétique pour faire fonctionner les sécateurs. Il en résulte que les risques de perturbations électromagnétiques du système deviennent infinitésimaux en faisant usage d'un moteur piézoélectrique. Son niveau de bruit est également très faible voire nul grâce à ses vibrations ultrasonores, ce qui assure le confort des utilisateurs et leur permet, à long terme,d'éviter de très grandes conséquences sur leur santé. Un moteur piézoélectrique propose également une force de maintien en position élevée et cela sans alimentation. Cette propriété est intéressante pour des applications de positionnement, mais plus pour des aspects liés à la sécurité [44].

La tendance vers la piézoélectricité[modifier | modifier le wikicode]

La piézoélectricité, à l'image du moteur piézoélectrique, présente de nombreux avantages en comparaison avec d'autres technologies. Bien qu'énergétiquement décevante, de plus en d'entreprises l'utilisent aujourd'hui comme en témoigne l'usage qu'en a fait l'entreprise FELCO dans ses sécateurs électriques. Cette tendance vers la piézoélectricité est principalement due au fait qu'elle soit en premier abord orientée vers l'achat. Ses rendements restent certes très faibles énergétiquement, mais sa commercialisation et ses utilisations persistent bien que méconnues du grand public. Les applications de la piézoélectricité sont à ce jour diverses et nombreuses, et tant que des systèmes à usage quotidien comme l'allume-gaz ou encore la télécommande sans pile continuent d'être utilisées, de nombreuses entreprises n'hésiteront pas à faire de la piézoélectricité l'objet de leurs innovations.

Les systèmes piézoélectriques requièrent généralement très peu de matériaux. Leur principe de fonctionnement est simple et leur fabrication n'est pas complexe, ce qui encourage davantage d'entreprises à remettre en question leur solutions techniques actuelles. Etant une technologie qui opère à l'échelle microscopique, elle assure rapidité, réactivité et précision. Ses rendements sont certes ses plus plus grands inconvénients, mais ceci sur une échelle macroscopique. Tant qu'elle n'est pas sollicitée pour assurer la production de très grandes quantités d'énergie, la piézoélectricité s'avère être un excellent choix pour les systèmes ayant des besoins énergétiques faibles et sur une courte durée. Etant méconnue du grand public, ses impacts environnementaux sont également méconnus,elle garde donc facilement son image d'énergie propre auprès des entreprises.

Evolution qualitative de l'utilisation de la piézoélectricité dans le monde[modifier | modifier le wikicode]

Evolution de l'utilisation de la piézoélectricité

Conclusion[modifier | modifier le wikicode]

Alors, que lors de sa découverte, les systèmes piézoélectriques semblaient pouvoir convertir une énergie mécanique, tel que nos pas, en énergie électrique, nous nous sommes rendus compte que le rendement de l'ensemble de ces systèmes n'était pas assez important pour être utilisé comme producteur d'énergie. En effet, les matériaux nécessaires à la fabrication de ses systèmes sont couteux en énergie. De plus, ces mêmes matériaux utilisés sont nocifs pour notre santé mais également pour la planète comme c'est le cas du plomb. Néanmoins, cela ne signifie pas que la piézoélectricité ne possède aucune application dans notre société. Au contraire, elle a parfaitement trouvé sa place en tant que composant des MEMS (Micro Electromecanical Systems) pour l'électronique de puissance. D'ailleurs, certaines entreprises comme Felco ont fait le choix d'utiliser cette technologie pour des raisons de précision, coût. De plus, nous nous sommes aperçus que même si c'est un système censé produire de l'énergie et qu'il en consomme plus qu'il n'en produit, cela ne signifie pas qu'il n'a pas sa place sur le marché. En effet, pour les entreprises l'intérêt réside beaucoup plus dans la question de rentabilité économique plutôt qu'énergétique. C'est pourquoi les réponses actuelles pour produire de l'énergie ne sont pas forcément celles qui en produisent le plus, mais bien celles qui rapportent le plus. Nous nous sommes donc aperçu qu'un système apparemment respectueux de l'environnement peut au contraire être très destructeur si nous regardons l'ensemble de la chaîne de production et non pas seulement le système en lui-même.

Il est très intéressant d'analyser l'ensemble de la chaîne de fabrication d'un système produisant de l'énergie. En effet, en observant l'ensemble des acteurs liés à celui-ci, en s'intéressant à l'histoire du système et à comment il a évolué dans notre société, nous pouvons mieux comprendre les choix qui ont été fait et qui sont fait même s'ils ne sont pas toujours pris dans l'intérêt de l'utilisateur.

Rédigé en mai 2019.

Sources[modifier | modifier le wikicode]

  1. Pierre VOVELLE, « PIÉZO-ÉLECTRICITÉ », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 7 mai 2019. URL : http://www.universalis-edu.com/encyclopedie/piezo-electricite/
  2. BRISSAUD, Michel. Matériaux piézoélectriques Ressource électronique caractérisation, modélisation et vibration. France : Lausanne : Presses polytechniques et universitaires romandes, 2007
  3. Arnaud Parent. APPORT DES NOUVEAUX MATÉRIAUX PIÉZOÉLECTRIQUES DANS LE DOMAINE DES MICRO-GYROMÈTRES VIBRANTS. Physique [physics]. Université Paris Sud - ParisXI, 2008. Français. fftel-00334781ff
  4. 4,0 et 4,1 « Piézoélectricité », dans Wikipédia, (lire en ligne)
  5. Hubert CURIEN, « 'HAÜY RENÉ JUST -'  », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 3 mai 2019. URL : http://www.universalis-edu.com/encyclopedie/rene-just-hauy/
  6. Marcel FRILLEY, « 'CURIE' LES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 3 mai 2019. URL : http://www.universalis-edu.com/encyclopedie/les-curie/
  7. Françoise BALIBAR, « 'LANGEVIN PAUL -'  », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 3 mai 2019. URL : http://www.universalis-edu.com/encyclopedie/paul-langevin/
  8. Xavier LURTON, « 'SONAR' », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 3 mai 2019. URL : http://www.universalis-edu.com.docelec.insa-lyon.fr/encyclopedie/sonar/
  9. HistoireDuMonde.net, « Histoire du monde.net », sur histoiredumonde.net (consulté le 3 mai 2019)
  10. « Walter Guyton Cady », dans Wikipédia, (lire en ligne)
  11. « Watt, la boîte de nuit écolo », sur Et-demain.com, (consulté le 9 mai 2019)
  12. « Environnement : Londres s’offre la première boîte de nuit écologique du (...) », sur Gaboneco (consulté le 9 mai 2019)
  13. « Piézoélectricité », dans Wikipédia, (lire en ligne)
  14. 14,0 14,1 et 14,2 Yves GAUTIER, « 'CRISTAUX -'  », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 3 mai 2019. URL : http://www.universalis-edu.com/encyclopedie/cristaux-synthese-des-cristaux/
  15. 15,0 et 15,1 Jean-François DESESSARD. « Piezo Institute : un pool européen de la recherche sur la piézoélectricité ». In Techniques de l’Ingénieur, 9 décembre 2009. https://www-techniques-ingenieur-fr.docelec.insa-lyon.fr/actualite/articles/piezo-institute-un-pool-europeen-de-la-recherche-sur-la-piezoelectricite-16063/.
  16. « Home - PiezoInstitute », sur piezo-institute.com (consulté le 9 mai 2019)
  17. « Statistiques mondiales de recherche et développement », dans Wikipédia, (lire en ligne)
  18. 18,0 18,1 et 18,2 Dejan VASIC, François Costa, "Applications des éléments piézoélectriques dans l'électronique de puissance", dossier Technique de l'Ingénieur, Université de Toulouse, le 14/12/2012, http://master-eea.univ-tlse3.fr/wp-content/uploads/2018/01/IT_Piezos_en_eln_-1.pdf consulté le 08/05/2019
  19. « Piezoelectrique - Energie piézoélectrique : électricité par pression », sur www.piezoelectrique.com (consulté le 16 mai 2019)
  20. "Quartz (électronique), dans Wikipédia, le 9 mai 2019
  21. Futura, « Un pacemaker alimenté par les mouvements des muscles », sur Futura (consulté le 16 mai 2019)
  22. 22,0 22,1 22,2 et 22,3 Emmanuel SARAUTE, François COSTA, Dejan VASIC, "Transformateurs piézoélectriques", dans Technique de l'Ingénieur, publié le 10/02/2005, https://www-techniques-ingenieur-fr.docelec.insa-lyon.fr/base-documentaire/energies-th4/composants-passifs-et-transformateurs-statiques-42246210/transformateurs-piezoelectriques-d3015/generalites-d3015niv10001.html consulté le 08/05/2019
  23. Pierre VOVELLE, « PIÉZO-ÉLECTRICITÉ », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 7 mai 2019. URL : http://www.universalis-edu.com.docelec.insa-lyon.fr/encyclopedie/piezo-electricite/
  24. 24,0 et 24,1 Ordres de grandeur d'énergie, dans Wikipédia, consulté le 9 mai 2019
  25. Guy Feuillard, "Les matériaux piézoélectriques Constitution propriétés et applications", Laboratoire GREMAN UMR 7347 INSA Centre Val de Loire, Centre Val de Loire, 23 mai 2016, http://orleans-tours.udppc.asso.fr/OT/wp-content/uploads/2016/05/Piezo-histoire-et-applications-Guy-Feuillard.pdf
  26. Azeddine HIZEBRY, "PROPAGATION DE FISSURES DANS LES CERAMIQUES PIEZO-ELECTRIQUES DE TYPE PZT", Thèse de doctorat en Génie des Matériaux, Lyon, L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 6 Novembre 2007, 141p.http://theses.insa-lyon.fr/publication/2007ISAL0064/these.pdf
  27. « Plomb. Prévenir les expositions professionnelles au plomb - Risques - INRS », sur www.inrs.fr (consulté le 8 mai 2019)
  28. DGS_Anne.M et DGS_Anne.M, « Effets du plomb sur la santé », sur Ministère des Solidarités et de la Santé, (consulté le 8 mai 2019)
  29. R Garnier, "Effets associés aux plombémies faibles",Mardis Fernand Widal, Centre Antipoison, 30 septembre 2014. http://www.centres-antipoison.net/paris/mfw/2014/R_Garnier_Plomb_aux_faibles_doses_MFW20140930.pdf
  30. « Plomb », dans Wikipédia, (lire en ligne)
  31. ↑ DVGW (DEUTSCHER VEREIN DES GAS-UNDWASSERF ACHES). Daten und informationen Zn Wasserinhaltsstoffen. Partie 1. Allemagne : E.V. édition, 1985 ; cité par le rapport d'étude RECORD ; Etat de l’art concernant la mesure des émissions et le traitement des métaux dans les fumées [archive]. Cas du cadmium, du mercure et du plomb, 2002, 214 p, n°00-0220/1A (PDF, 215 p)
  32. Julie Abergel. Matériaux piézoélectriques à forte déformation pour l’actionnement microsystème. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université de Grenoble, 2014. Français.
  33. Sébastien Quignon, « Synthèse et caractérisations de couches minces de matériaux piézoélectriques sans plomb », Thèse de doctorat en Sciences pour l’Ingénieur, sous la direction de Denis Rèmiens, Valenciennes, Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambresis, 2013, 154 p.
  34. « Processus de fabrication des matériaux céramiques », sur www.ceramtec.fr (consulté le 9 mai 2019)
  35. « Zircon », sur L’Élémentarium (consulté le 9 mai 2019)
  36. Dejan VASIC, François COSTA, "Applications des éléments piézoélectriques en électronique de puissance", Techniques de l’Ingénieur, université de toulouse bu sciences 14 décembre 2012. http://master-eea.univ-tlse3.fr/wp-content/uploads/2018/01/IT_Piezos_en_eln_-1.pdf
  37. anglais Björn Kesten, « Einsatzmöglichkeiten für piezoelektrische Folien // Methods of application for piezoelectric thin film (B.Eng Thesis) », {{{périodique}}} [texte intégral (page consultée le 2019-05-09)]
  38. Jeremy Richard, "Enveloppe piézoélectrique", Ecole Nationale Supérieure d'Architecture de Palais Malaquais, 2015/2016, https://seminairemateriaux.files.wordpress.com/2016/01/r9-jeremy-richard.pdf consulté le 08/05/2019
  39. « La piézoélectricité, comment ça marche ? », sur La Tribune (consulté le 16 mai 2019)
  40. 40,0 et 40,1 (en) « Matériaux piézoélectriques 2018 du marché mondial de l’industrie demande, ventes, fournisseurs, analyse et prévisions à l’horizon 2025 », sur iCrowdNewswire French, (consulté le 16 mai 2019)
  41. [https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00716847/document Matthieu Cueff. Micro-actionneurs piézoélectriques. Autre. Université de Grenoble, 2011. Français.�NNT: 2011GRENT103�. �tel-00716847�],https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00716847/document, consulté le 20/04/2019.
  42. Optimisation et conception d'un système piézoélectrique pour l'application dans un sécateur électrique, 2011 [lire en ligne] 
  43. 43,0 et 43,1 « FELCO SA | Swiss Precision. Made to Last. », sur www.felco.com (consulté le 16 mai 2019)
  44. 44,0 44,1 44,2 et 44,3 [http://www.geniemeca.fpms.ac.be/Recherche/recherche_piezoelectrique.htm « Moteurs et actuateurs pi�zo�lectriques »], sur www.geniemeca.fpms.ac.be (consulté le 8 mai 2019)


Auteurs[modifier | modifier le wikicode]

DELAYE Maxime

DE MORAND Capucine

EWART Manua

HEUSER Niklas

MAITRE Anna

ROBERT Alexandre

TAHIRI Samya

VALENTE Macéo