Recherche et innovation

ACHKAR - Elaboration et caractérisation de céramiques multicouches performantes pour la réfrigération électrocalorique

statut du projet | En cours
Détails de la manifestation
Date de début : Août 2019
Date de fin : Août 2022
Appel à projets de recherche : AAC Thèses - Appel à candidatures Thèses ADEME
Année de l’appel à projets : 2019
Organisme coordinateur : UDSMM
Partenaires :
Zone d’implantation
des porteurs du projet :
Hauts-De-France / Nord / Dunkerque

Le sujet concerne la réalisation de matériaux électrocaloriques sous forme de céramiques multicouches à base d’oxyde pérovskite sans plomb et performant sous des tensions électriques faibles compatibles avec une exploitation dans un dispositif de réfrigération.

La réfrigération à compression de vapeur est la technologie la plus répandue. Elle utilise cependant des fluides frigorigènes qui sont nuisibles à l’environnement de par leur effet de serre ou leur impact sur la couche d’ozone. Plusieurs technologies basées sur la réfrigération à l’état solide ont été développées comme solutions alternatives [1]. L’une de ces alternatives suscitant un intérêt croissant depuis quelques années est la réfrigération par effet électrocalorique. Elle exploite un phénomène physique présent dans les matériaux polaires. Parmi ces matériaux, les matériaux ferroélectriques relaxeurs semblent être très prometteurs [2,3]. Par ailleurs, l’obtention d’un effet électrocalorique important nécessite des champs électriques élevés. Pour réduire les tensions électriques utiles, il est nécessaire de travailler avec des épaisseurs faibles. Cependant, pour échanger plus de chaleur, il faut des masses de matériau plus importantes: l’utilisation d’un matériau multicouche s’avère indispensable. A ce jour, les principaux matériaux multicouches synthétisés sont à base de plomb [4].

Elaboration et caractérisation des céramiques massives

La majorité des matériaux électrocaloriques étudiés de nos jours sont des matériaux présentant une phase ferroélectrique car ils possèdent un effet électrocalorique très important [5]. On distingue des ferroélectriques classiques et des ferroélectriques relaxeurs. Les ferroélectriques relaxeurs semblent être plus attractifs que les ferroélectriques classiques car ils permettent en particulier d’exploiter l’effet électrocalorique sur une plus large gamme de température [2, 3].

Les céramiques les plus étudiées sont de type pérovskite (ABO3), en particulier à base de titanate de baryum (BaTiO3). Ce matériau est un ferroélectrique classique qui présente d’excellentes performances [7], ne nécessitant pas l’usage de plomb. En substituant une partie du baryum par un autre atome, tel que le cérium, on peut obtenir un comportement relaxeur. Dans cette optique, des céramiques massives à base de BaTiO3 et l’ajout d’un dopant seront élaborées et leurs propriétés caractérisées. 

Elaboration et caractérisation des céramiques multicouches (MLCs)

Par des dépôts successifs de films épais (quelques microns) et d’électrodes métalliques, on peut réaliser des systèmes multicouches [6]. Ces systèmes permettent de contourner certaines des difficultés rencontrées pour les céramiques individuelles et les films minces, tout en maintenant leurs avantages respectifs. Pour cela, ils représentent la géométrie optimale pour les applications électrocaloriques [5]. Sur la base des propriétés mesurées sous formes massives, la modélisation du transport de chaleur dans un système multicouche sera réalisée pour proposer une géométrie optimale. Les propriétés des céramiques multicouches qui seront ainsi élaborées seront mesurées.

[1] Kitanovski, A., Plaznik, U., Tomc, U., & Poredoš, A. (2015). Present and future caloric refrigeration and heat-pump technologies. International Journal of Refrigeration, 57, 288-298.

[2] Cross, L. E. (1987). Relaxor ferroelectrics. Ferroelectrics, 76(1), 241-267.

[3] Simon, A., Ravez, J., & Maglione, M. (2004). The crossover from a ferroelectric to a relaxor state in lead-free solid solutions. Journal of Physics: Condensed Matter, 16(6), 963.

[4] Kar-Narayan, S., & Mathur, N. D. (2009). Predicted cooling powers for multilayer capacitors based on various electrocaloric and electrode materials. Applied Physics Letters, 95(24), 242903.

[5] Correia, T., & Zhang, Q. (2014). Electrocaloric materials. New Generation of Coolers, 34, Springer.

[6] Techniques de l’ingénieur, GAËL SEBALD. Matériaux électrocaloriques. 2016, K 734 1–16.

[7] Han, F., Bai, Y., Qiao, L. J., & Guo, D. (2016). A systematic modification of the large electrocaloric effect within a broad temperature range in rare-earth doped BaTiO 3 ceramics. Journal of Materials Chemistry C, 4(9), 1842-1849.

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