Karakterisering af komplet sæt Materiale konstanter og deres temperatur Afhængighed for piezoelektriske materialer Brug Resonant Ultralyd spektroskopi

Summary

This protocol describes the procedure of measuring the temperature dependence of the full set material constants of piezoelectric materials using resonant ultrasound spectroscopy (RUS).

Abstract

Under drift af høj effekt elektromekaniske indretninger, en temperaturstigning er uundgåelig på grund af mekaniske og elektriske tab, der forårsager nedbrydning af anordningens ydeevne. For at vurdere sådanne forringelser bruger computersimulationer, er fuld matrix materialeegenskaber ved forhøjede temperaturer nødvendige som input. Det er yderst vanskeligt at måle sådanne data til ferroelektriske materialer på grund af deres stærke anisotropisk natur og ejendom variation blandt prøver af forskellige geometrier. Fordi graden af ​​depolarisering er randbetingelse afhængige, som er tilvejebragt af IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedans resonans teknik, som kræver flere prøver med drastisk forskellige geometrier, som regel mangler selv-konsistens. Den resonante ultralyd spektroskopi (RUS) teknik gør det muligt den fulde sæt materiale konstanter, der skal måles ved hjælp af kun én prøve, som kan eliminere fejl forårsaget af prøve til prøve variation. En detaljeret RUS procedure demonstreres her med en blyzirconattitanat (PZT-4) piezokeramiske prøve. I eksemplet blev det komplette sæt af materialekonstanter målt fra stuetemperatur til 120 ° C. Målte frie dielektricitetskonstanter og blev sammenlignet med beregnede kosttilskud baseret på de målte komplet sæt data, og piezoelektriske konstanter d ₁₅ og d ₃₃ blev også beregnet ved hjælp af forskellige formler. blev fundet Fremragende aftale i hele spektret af temperaturer, som bekræftede den selv-sammenhæng i datasættet opnås ved RUS.

Introduction

Blyzirconattitanat (PZT) piezoelektriske keramik, (1-x) PbZrO ₃ -xPbTiO _3, og dets derivater er ofte blevet brugt i ultrasoniske transducere, sensorer og aktuatorer siden 1950'erne ^en. Mange af disse elektromekaniske udstyr anvendes ved høje temperaturområder, såsom til rumfartøjer og underjordiske borehulslogning. Desuden høj effekt enheder, såsom terapeutiske ultralydstransducere, piezoelektriske transformatorer og sonar projektorer, ofte varme op under drift. Sådanne temperaturstigninger vil ændre resonansfrekvenser og omdrejningspunktet for transducere, der forårsager alvorlig forringelse ydeevne. Høj intensitet fokuseret ultralyd (HIFU), der allerede anvendes i klinisk praksis til behandling af tumorer, bruger ultrasoniske transducere fremstillet af PZT keramik. Under drift vil temperaturen af ​​disse transducere øges, hvilket medfører en ændring af de materielle konstanter PZT resonator, hvilket igen vil ændre HIFU omdrejningspunkt samt udgangseffekt ^2,3. Skiftet af omdrejningspunkt kan føre til alvorlige uønskede resultater, dvs., hvor sundt væv ødelagt i stedet for kræft væv. På den anden side, hvis omdrejningspunkt skift kan forudsiges, kunne man bruge elektroniske designs til at korrigere en sådan skift. Derfor er det meget vigtigt for design og evaluering af mange elektromekaniske enheder, især høj effekt enheder måling af temperaturen afhængighed af den fulde sæt materialeegenskaber piezoelektriske materialer.

Polede ferroelektriske materialer er de bedste piezoelektriske materialer kendte i dag. Faktisk næsten alle piezoelektriske materialer øjeblikket er i brug er ferroelektriske materialer, herunder solid løsning PZT keramik og (1-x) Pb (Mg _1/3 Nb _2/3) O ₃ -xPbTiO ₃ (PMN-PT) enkelte krystaller. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedans resonans metode kræver 5-7 prøver med drastitisk forskellige geometrier for at karakterisere det fulde sæt materiale konstanter ^4. Det er næsten umuligt at opnå selv-konsistent komplet sæt matrix data ved hjælp af IEEE impedans resonans metode til ferroelektriske materialer, fordi graden af ​​polarisation afhænger af prøven geometri (randbetingelser), mens prøve egenskaber afhænger af niveauet af polarisation. For at undgå problemer forårsaget af prøve til prøve variationer bør alle konstanter måles fra én prøve. Li et al. Rapporterede den vellykkede måling af alle konstanter fra en prøve ved stuetemperatur ved anvendelse af en kombination af puls-ekko ultralyd og inverse impedansspektroskopi ^5. Uheldigvis er denne teknik svært at udføre ved forhøjede temperaturer, fordi det ikke er muligt at udføre ultralyd målinger direkte inde i ovnen. Der er heller ingen kommercielt tilgængelige shear transducere, der kan arbejde ved høje temperaturer. Desuden at koblingen fedt bundet transducent og prøven kan ikke arbejde ved høje temperaturer.

I princippet RUS teknik har evnen til at bestemme det fulde sæt materielle konstanter piezoelektriske materialer og deres temperaturafhængighed kun bruger én prøve ^6,7. Men der er flere kritiske trin til korrekt gennemførelse af RUS-teknik. For det første skal det fulde sæt af tensor egenskaber ved stuetemperatur bestemmes nøjagtigt ved hjælp af en kombination af puls-ekko og RUS-teknikker. For det andet kan dette rum temperatur datasæt anvendes til at forudsige de resonansfrekvenser og for at matche de målte dem for at identificere de tilsvarende tilstande. For det tredje, for hver lille tilvækst af temperaturen fra stuetemperatur op, er man nødt til at udføre genopbygning spektrum mod målte resonans spektrum for at hente den fulde sæt konstanter på denne nye temperatur fra det målte resonans spektrum. Derefter bruger de nye data indstillet som nyt udgangspunkt, kan vi øge temperaturen af ​​en anden lille temperatur skridt for at få det fulde sæt konstanter ved næste temperatur. Fortsætter denne proces vil give os mulighed for at opnå den temperatur afhængighed af den fulde sæt materiale konstanter.

Her er et PZT-4 piezokeramiske prøve bruges til at illustrere fremgangsmåden af ​​RUS teknik måling. Den polede PZT-4 keramiske har ∞m symmetri med 10 uafhængige materialekonstanter: 5 elastiske konstanter, 3 piezoelektriske konstanter og 2 dielektriske konstanter. Fordi de dielektriske konstanter er ufølsomme for ændringen af ​​resonansfrekvenser, blev de måles separat ved hjælp af den samme prøve. Temperaturafhængighed fastspændt dielektricitetskonstanter og blev målt direkte fra kapacitansmålinger, mens de frie dielektricitetskonstanterOAD / 53.461 / image005.jpg "/> og målt på samme tid blev anvendt som data overensstemmelseskontrol. Temperaturafhængighed elastiske stivhed konstanter ved en konstant elektrisk felt , , , og , Og piezoelektriske stress konstanter e _15, e ₃₁ og e ₃₃ blev bestemt af RUS-teknik ved hjælp af den samme prøve.

Protocol

1. Prøvefremstilling Bemærk: PZT-4 keramiske prøver af den ønskede størrelse kan bestilles direkte fra mange PZT keramiske fabrikanter. Man kan også skære prøven fra et større PZT keramisk blok ved hjælp af en diamant skæremaskine, så repole prøven for at genoprette depoling forårsaget ved at skære og polering. Her er prøven form er et parallelepipedum med hver dimension mellem 3 mm og 10 mm. Større størrelse prøver er ikke nødvendige, men nøjagtighed kan blive kompromitte…

Representative Results

LM algoritme anvendes i inversion er en lokal minimum søg. Derfor startværdierne af elastiske stivhed konstanter , , , og Og piezoelektriske konstanter, <…

Discussion

Den RUS teknikken beskrevet her, kan måle komplet sæt materiale konstanter ved hjælp af kun én prøve, der eliminerer fejl forårsaget af ejendom variation fra prøve til prøve, så selv-konsistens kan garanteres. Fremgangsmåden kan anvendes til hvilket som helst fast materiale med en høj kvalitetsfaktor Q, uanset om de er piezoelektrisk eller ej. Alle andre standard karakteriseringsteknikker kræve flere prøver at få den fulde datasættet og er vanskelige at opnå selvkonsistente data.

<p class="jove_conte…

Materials

PZT-4	TRS
paraffin	MTI Corporation	8002-74-2
conductive silver paint	MG Chemicals	842-20G
Al2O3 Powder	MTI Corporation
coupling grease	Panametrics