PZT : une céramique qui convertit l'énergie mécanique en électricité

Publié le 3 février 2010 par afa

équations constitutives de la piézoélectricité

Grâce à la silicone, le corps peut produire de l'électricité...

Par Grégoire Macqueron, Futura-Sciences

"Marcher pour recharger son portable et respirer pour alimenter son pacemaker ? C'est ce que proposent des ingénieurs américains. Souple et piézo-électrique, leur invention convertit l'énergie mécanique, donc le mouvement, en électricité.
Les chercheurs de l’Université de Princeton ont réussi à créer une lamelle alliant la flexibilité d'un silicone et le puissant effet piézo-électrique du titano-zirconate de plomb, ou plus simplement PZT.
Ce PZT est une céramique qui convertit 80% de l’énergie mécanique qu’elle reçoit lorsqu’elle est déformée en énergie électrique, un rendement exceptionnel pour un matériau piézo-électrique. Comme le corps dégage peu d’énergie lors des ses mouvements, il est important que ce taux de conversion soit élevé. « Le PZT est 100 fois plus efficace que le quartz, un autre matériau piézo-électrique » souligne Michael McAlpine, ingénieur en mécanique de Princeton.
Le silicone a également l'avantage d'être souple. L'armée américaine avait déjà testé des matériaux piézo-électriques inclus dans des chaussures pour générer de l'électricité mais les soldats s’étaient plaints de douleurs aux pieds. Les cristaux et polymères utilisés étaient trop rigides.

De la souplesse…

L’idée est donc de rendre souples les matériaux piézo-électriques. Or ce sont des cristaux, donc rigides, et leur température de cristallisation élevée est incompatible avec les matrices en plastique ou latex.
Michael McAlpine et Yi Qi ont résolu ce problème. Après production à haute température de céramiques PZT, ils en ont extrait chimiquement par microgravure des nanorubans. Ils les ont ensuite incorporés dans des feuilles de silicone.
Autres avantages de leur création, elle est biocompatible et adaptable en dimensions tout en étant productible à l’aide des techniques d’impression microélectronique.
Sa biocompatibilité, c'est-à-dire son absence d’effet nocif pour l’organisme et l’absence de réaction de rejet, permettrait par exemple d’implanter ce générateur près des poumons pour alimenter un pacemaker. Le simple mouvement de la cage thoracique lors de la respiration pourrait alors suffire à générer le courant électrique nécessaire.

Selon ses concepteurs, « l’excellente performance de l’assemblage de piézo-rubans couplée avec la souplesse et la biocompatibilité de ce silicone pourrait ouvrir un boulevard dans la recherche fondamentale et appliquée ».
Avec la multiplication des textiles intelligents, des cellules solaires et des batteries imprimables, ce type de matériau pourrait en effet promettre des associations intéressantes."

voir cet article sur le site de Futura Sciences :
http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/technologie-1/d/grace-a-la-silicone-le-corps-peut-produire-de-lelectricite_22423/

Définitions de Wikipédia :

Les premiers PZT ont été élaborés dès 1954. Les céramiques PZT sont employées dans le domaine des micromanipulateurs de précisions tels que ceux qui sont employés en optique adaptative en astronomie. Il existe aussi bien des céramiques sous des formes massiques (plaque, cylindre ou demi-sphère creuse), que sous la forme de film mince ou de gel polymérisé.

La piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct ; le second effet piézoélectrique inverse. Cette propriété trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie et la vie quotidienne. Une application parmi les plus familières est l’allume-gaz. Dans un allume-gaz, la pression exercée produit une tension électrique qui se décharge brutalement sous forme d’étincelles : c'est une application de l’effet direct. De manière plus générale, l’effet direct peut être mis à profit dans la réalisation de capteurs (capteur de pression etc.) tandis que l’effet inverse permet de réaliser des actionneurs (injecteurs à commande piézoélectrique en automobile, nanomanipulateur…).