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Céramiques
piézoélectriques
Piezoelectric ceramics

Ce document remplace et annule tout autre document précédent. Il peut être modifié sans préavis. Les informations données dans ce catalogue sont réputées précises et fiables. Toutefois, elles ne sont données qu’à titre
indicatif. Il appartient à l’utilisateur de déterminer si le produit décrit dans ce catalogue répond aux exigences de son application et de son procédé. Dans le but d’améliorer constamment notre fabrication, nous nous
réservons le droit de modifier les caractéristiques techniques de nos produits. Le suivi de ces recommandations n’implique aucune obligation de résultat de quelque nature qu’elle soit de la part de Saint-Gobain Quartz.
This document replaces and supersedes any previous document. It may be modified without prior notice. The information given in this document is believed to be accurate and reliable. However all data are
indicative. It is the users responsibility to determine whether the material is suitable for a particular application process and/or environment. Aiming to constantly improve our manufacturing we reserve the right
to modify the technical characteristics of our products. Saint-Gobain Quartz makes no guarantee of results and assumes no obligation whatsoever in connection with the recommendations.
Introduction
Introduction
Saint-Gobain Quartz S.A.S. supplies unique and large range of piezo-
electric ceramics composition, widely used in the following markets:
• water and underwater acoustic, high frequency sonars, hydrophone,
• high frequency medical and industrial applications, medical probes,
• ultrasonic welding, ultrasonic cleaning,
• sensors for automobile industry, accelerometers, level gauging
systems,
• non-destructive testing, shock and vibration sensors, positioning
devices,
• other adaptative optics.
Saint-Gobain Quartz S.A.S. has been established in 1922 and
belongs since that date to the Saint-Gobain Group.
Saint-Gobain Quartz S.A.S. is part of the Crystals Division / Ceram-
ics & Plastics Branch / High Performance Materials sector of Saint-
Gobain Group.
Saint-Gobain employs over 170 000 people and operates in 46
countries worldwide with more than 1 000 consolidated compa-
nies. It is the world’s 59th leading industrial corporation with a
turnover of approximately €30 billion.
Frégate La Fayette La Fayette frigate
© D.C.N.
Sous-marin Le Triomphant Le Triomphant Submarine
© D.C.N.
Radôme du porte-avions Charles-de-Gaulle
Charles-de-Gaulle aircraft carrier radome
© D.C.N.
Saint-Gobain Quartz S.A.S. produit et commercialise une gamme
diversifiée de céramiques piézoélectriques dont les compositions
très fiables sont un atout majeur dans les applications suivantes :
• acoustique marine et sous-marine, sonars de puissance,
hydrophone,
• applications médicales et industrielles à haute fréquence,
sondes médicales,
• soudage ultrason / lavage ultrason,
• capteurs pour l’industrie d’automobile, allume-gaz, systèmes
de mesure,
• contrôle non destructif, détecteurs de vibrations et de bruits,
contrôle de positionnement,
• optique adaptative.
Saint-Gobain Quartz S.A.S. a été créé en 1922 et appartient depuis
cette date au groupe Saint-Gobain.
Saint-Gobain Quartz S.A.S. dépend actuellement de la Division
Cristaux / Branche Céramiques et Plastiques / Pôle Matériaux
Haute Performance.
Saint-Gobain emploie plus de 170 0000 personnes et est présent
dans 46 pays à travers le monde avec plus de 1 000 sociétés
consolidées. C’est le 59ème groupe industriel mondial et son chiffre
d’affaires s’élève à environ 30 MEuros.
Cover picture: © Saint-Gobain Quartz

1
Généralités sur la piézoélectricité
Piezoelectricity
La piézoélectricité est la propriété que présentent cer-
tains corps de se charger électriquement lorsqu’ils sont sou-
mis à une contrainte mécanique. Ce comportement, spon-
tané dans plusieurs cristaux naturels ou synthétiques tels
que le quartz ou le sel de Sei-
gnette, est dû à la structure cris-
talline : une action mécanique
provoque l’apparition d’un dipôle
électrique dans chaque maille
cristalline du matériau par dépla-
cement des centres des charges
positives et négatives, comme la
figure 1 le montre pour la coupe
Z du quartz.
L’équilibre électrostatique se
trouvant rompu, une polarisation
apparaît : c’est l’effet piézoélec-
trique direct. Il existe corrélative-
ment un effet inverse, un champ
électrique provoquant une déformation mécanique du
matériau. La piézoélectricité ne peut se manifester, ni pour
des corps conducteurs, ni
pour des corps à haut
degré de symétrie et on a
démontré que l’absence
de centre de symétrie
dans la maille élémentaire
était nécessaire à l’appari-
tion de ce phénomène.
Parmi les cristaux pié-
zoélectriques certains sont
aussi ferro-électriques :
à un champ électrique
excitateur E correspond
une polarisation P et la
représentation graphique de P en fonction de E est une
courbe fermée analogue au cycle d’hystérésis magnétique,
ce qui permet de définir une polarisation rémanente Pret
un champ coercitif Ec(fig. 2).
Tel est le cas en particulier du titanate
de baryum BaTiO3et de nombreux sels
(titanates, zirconates, stannates) ayant
comme lui la structure cristalline de la
perovskite (CaTiO3) (fig. 3).
Piezoelectricity is the property some bodies have of
becoming electrically charged under mechanical stress. This
behaviour, which is spontaneous in several natural or man
made crystals such as quartz or Rochelle salt, is due to
the crystalline structure :
mechanical action pro-
vokes the appearance of
an electric dipole in each
crystalline unit cell of the
material by shifting the
centres of the positive
and negative charges,
as shown in figure 1 of
the cross section Z of the
crystal.
The electrostatic balance
being broken, polarisa-
tion occurs. This is the
direct piezoelectric effect.
There is a correlative converse effect, an electric field bring-
ing about a mechanical deformation of the material. Piezo-
electricity cannot occur in conduct-
ing bodies or in those that are
highly symmetrical and it has been
shown that the absence of a centre
of symmetry in the unit cell was
necessary for this phenomenon to
occur.
Some piezoelectric crystals are also
ferroelectric; a polarisation P cor-
responds to an exciting electric
field E and the graph of P with
respect to E is a closed curve anal-
ogous to the magnetic hysterisis
cycle, thus enabling a remanent
polarisation Prand a coercive field Ecto be defined (fig. 2).
This is particularly so with barium titanate (BaTiO3)
and many salts (titanates, zirconates, stannates) which sim-
ilarly possess the crys-
talline structure of
perovskite (CaTiO3)
(fig. 3).
O
Pr
P
– Ec
Ec
E
Si
OSi
O
Electrodes
Electrodes
Fig. 1
Fig. 2
O
Ca
Ti
Fig. 3

But ceramics differ from piezoelectric crystals and their
excellent piezoelectric properties are in fact due to the exis-
tence of ferroelectricity.
By sintering lead, zirconium and titanium oxides or salts,
general formulation compounds are made :
In all these compounds, the single microcrystals are fer-
roelectric, and hence possess spontaneous polarization, but
the disordered aggregate of these microcrystals forming
the straight sintered ceramic has no total dipole electric
moment, on a macroscopic scale. In order to introduce into
such a medium the anisotropy needed for piezoelectricity to
exist, it must undergo a strong electric field which, prefer-
entially aligning along its direction the polarization of the
single microcrystals, will induce quite considerable rema-
nent polarization. It is only after this polarization that the
ceramic becomes ferroelectric and thereby piezoelectric.
In actual practice, the orientation of the polarization
of the single microcrystals along the direction of the polar-
izing field is accompanied by mechanical stresses whose slow
release brings about a gradual return to the disordered
state. This is ceramic ageing, which is a logarithmic func-
tion of time.
Finally it will be easily imagined that a rise in tempera-
ture tends to destroy the alignment of the single dipoles
on the polarization field. At a temperature, known as the
Curie point, there is no longer any macroscopic moment
and the ceramic loses all its piezoelectric properties. One of
the advantages of ceramics is possessing a Curie point
markedly higher than that of most piezoelectric crystals.
Le cas des céramiques diffère toutefois de celui des cris-
taux piézoélectriques et c’est en fait l’existence de la ferro-
électricité qui conduit à d’excellentes caractéristiques pié-
zoélectriques.
Par frittage d’oxydes ou de sels de plomb, de zirconium
et de titanate on réalise des composés de formule générale :
Dans tous ces composés, les microcristaux élémentaires
sont ferroélectriques, donc doués d’une polarisation spon-
tanée, mais l’agrégat désordonné de ces microcristaux qui
constitue la céramique simplement frittée n’a, à l’échelle
macroscopique, aucun moment dipolaire électrique global.
Pour introduire dans un tel milieu l’anisotropie nécessaire à
l’existence de la piézoélectricité, on doit le soumettre à un
champ électrique intense qui, alignant préférentiellement
sur sa direction les polarisations des microcristaux élémen-
taires, va susciter une polarisation rémanente considérable.
C’est uniquement après cette opération dite “polarisation”
que la céramique devient ferroélectrique, et par la piézo-
électrique.
Pratiquement, l’orientation des polarisations élémen-
taires sur la direction du champ polarisant s’accompagne
de contraintes mécaniques dont la libération lente provoque
un retour progressif à l’état désordonné : c’est ce qu’on
appelle le vieillissement des céramiques, qui est une fonction
logarithmique du temps.
On conçoit enfin qu’une élévation de la température
tende à détruire l’alignement des dipôles élémentaires sur le
champ de polarisation. A une température dite tempéra-
ture de Curie, il n’existe plus de moment électrique macro-
scopique et la céramique perd toutes ses propriétés piézo-
électriques. L’un des avantages des céramiques est d’ailleurs
d’avoir une température de Curie nettement plus élevée
que celle de la plupart des cristaux piézoélectriques.
2
Pb Ti (1–x) Zrx O3 avec x voisin de 0,5
Pb Ti (1–x) Zrx O3 with x approximating to 0.5

Caractéristiques mécaniques
Les milieux piézoélectriques sont par définition aniso-
tropes. Une étude systématique de leurs propriétés nécessite
donc une identification des directions. Pour une céramique,
on choisit l’axe 3 (ou Oz, ou c) dans la direction du champ de
polarisation, les axes 1 et 2, perpendiculaires à l’axe 3, le
trièdre 1, 2, 3 étant direct. (fig. 4).
On définit alors la “compliance”, ou souplesse élastique :
sous réserve que restent invariables toutes les composantes
des forces suivant les directions autres que j.
On définit de la même façon le coefficient :
Les indices i et j prennent les valeurs 1 à 6, avec les déno-
minations suivantes :
– T1 , T2 , T3: contraintes de tension parallèles aux axes
1, 2 et 3 respectivement.
– T4 , T5 , T6: contraintes de
cisaillement autour des axes 1, 2
et 3, équivalentes à des couples
dans les plans 2-3, 3-1 et 1-2.
Ces contraintes s’expriment
dans le système MKSA en N.m–2.
De même S1 , S2 et S3sont
les déformations relatives de ten-
sion suivant les axes 1, 2 et 3 res-
pectivement et S4 , S5et S6les
déformations de cisaillement
autour des axes 1, 2 et 3.
Les déformations relatives S
sont des grandeurs sans dimen-
sions.
Le module d’Young est défini
par :
Le coefficient de Poisson par :
3
Caractéristiques
Characteristics
Mechanical characteristics
Piezoelectric media are necessarily anisotropic. A systematic
study of their properties therefore requires the directions to
be ascertained. In the case of a ceramics, one selects axis 3
(or Oz, or c) in the direction of the polarization fields, axes
1 and 2 are perpendicular to axis 3 of a 1,2,3 right hand
orthogonal crystallographic axial set.
The “compliance” or elastic flexibility is then defined:
providing all the components of the forces following direc-
tions other than J do not vary.
The coefficient c is defined in the same manner:
Subscripts i and j acquire values 1 to 6 with the follow-
ing denominations:
– T1 , T2 , T3: tension stresses parallel to axes 1, 2 and 3
respectively.
– T4 , T5 , T6: shear
stresses around axes 1, 2
and 3 equivalent to
torque in planes 2-3, 3-1
and 1-2.
In the MKSA system these
stresses are expressed in
N.m–2
Likewise S1 , S2 and S3
are the relative tension
strains along axes 1, 2 and
3, and S4 , S5and S6the
shear strains around axes
1, 2 and 3.
The relative dimensions S
are dimensionless values.
Young’s modulus is
defined by:
and Poisson’s constant by :
Sij ==
Si
Tj
déformation dans la direction i
contrainte dans la direction j
Cij ==
Ti
Sj
contrainte dans la direction i
déformation dans la direction j
Yii = (Sii)–1
S12
S11
σ = –
Sij ==
Si
Tj
strain in direction i
stress in direction j
Cij ==
Ti
Sj
stress in direction i
strain in direction j
Yii = (Sii)–1
S12
S11
σ = –
Polarisation
3
5
6
1
4
2
T1
T2
T3
Fig. 4