Tam Set Malzeme sabitleri Karakterizasyonu ve rezonans Ultrason Spektroskopisi kullanarak Piezoelektrik Malzemelerin Onların Sıcaklık Bağımlılığı
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
Yüksek güç elektromekanik cihazların operasyon sırasında, bir sıcaklık artışı cihazı performansının azalmasına neden, mekanik ve elektrik kayıplara kaçınılmazdır. Bilgisayar simülasyonları kullanılarak bu bozulmaları değerlendirilmesi amacıyla, yükseltilmiş sıcaklıklarda tam matris malzeme özellikleri girdi olarak ihtiyaç vardır. Dolayı farklı geometriye örnekleri arasında güçlü anizotropik doğa ve mülkiyet değişimine ferroelektrik malzemeler için bu tür verileri ölçmek için son derece zordur. depolarizasyon derecesi büyük ölçüde farklı geometriye sahip birkaç örnek gerektirir IEEE (Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü) empedans rezonans tekniği ile elde edilen sınır koşulu bağımlı, veri olduğundan, genellikle kendini tutarlılık eksikliği. Rezonans ultrason spektroskopisi (RUS) tekniği tam set malzeme sabitleri variat numuneden kaynaklanan hataları ortadan kaldırmak, hangi sadece bir örnek kullanılarak ölçülebilir sağlariyon. Ayrıntılı RUS prosedürü kurşun zirkonat titanat (PZT-4) piezoseramikli numune kullanılarak burada gösterilmiştir. Örneğin, malzeme sabitler complete set, 120 ° C ila oda sıcaklığında ölçüldü. Ölçülen ücretsiz dielektrik sabitleri 
ve 
ölçülen tam set verilere dayanarak hesaplanan olanlarla karşılaştırıldığında vardı ve piezoelektrik sabitleri 15 d ve 33 farklı formüller kullanılarak hesaplanmıştır d. Mükemmel anlaşma RUS ile elde edilen veri setinin kendini tutarlılığı teyit sıcaklıklar, tüm aralığı tespit edildi.
Introduction
Kurşun zirkonat titanat (PZT) piezoelektrik seramikler, (1-x) 3 -xPbTiO 3 PbZrO ve türevleri yaygın 1950'lerden 1 beri ultrasonik dönüştürücüler, sensörler ve aktüatörler kullanılmaktadır. Bu elektromekanik cihazların birçoğu, uzay araçları ve yeraltı kuyu giriş yüksek sıcaklık aralıkları, kullanılır. Ayrıca, bu tür tedavi ultrasonik dönüştürücüler, piezoelektrik transformatörler ve sonar projektörler, operasyon sırasında sık sık ısınma gibi yüksek güç aygıtları. Böyle bir sıcaklık artışları ciddi bir performans düşüşü neden rezonans frekanslarını ve dönüştürücüler odak noktası değişecektir. Yüksek yoğunluklu zaten tümörlerin tedavisi için klinik pratikte kullanılan ultrason (HIFU) teknolojisi, PZT seramik ultrasonik dönüştürücüler kullanmaktadır duruldu. Çalışma sırasında, bu dönüştürücüler sıcaklığı da HI değişecektir PZT rezonatörün sabitlerin bir değişiklik, neden artarFU odak noktası yanı sıra çıkış gücü 2,3. Odak noktası kayması, yani sağlıklı dokuları yerine kanserli dokuların tahrip ediliyor ciddi istenmeyen sonuçlara yol açabilir. Odak noktası kaydırma tahmin edilebilir, diğer yandan, bu tür bir Shift düzeltmek için, elektronik tasarımlar kullanabilir. Bu nedenle, piezoelektrik malzemelerin tam set malzeme özelliklerinin sıcaklık bağımlılığını ölçen birçok elektromekanik cihazlar, özellikle yüksek güç cihazların tasarımı ve değerlendirilmesi için çok önemlidir.
Kutuplu ferroelektrik malzemeler günümüzde bilinen en iyi piezoelektrik malzemeler bulunmaktadır. Aslında, şu anda kullanılan neredeyse tüm piezoelektrik malzemeler katı çözelti PZT seramik ve (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) tek kristaller dahil ferroelektrik malzemeler vardır. empedans rezonans yöntemiyle IEEE (Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü) çok büyük ölçüde ile 5-7 örnekleri gerektirirCally tam set malzeme karakterize etmek için farklı geometriler 4 sabitleri. Numune özellikleri kutuplandırma düzeyine bağlıdır iken, kutuplandırma derecesi örnek geometri (sınır koşulları) bağlıdır çünkü ferroelektrik malzemeler için IEEE empedans rezonans yöntemini kullanarak kendi içinde tutarlı tam set matris verilerini elde etmek için neredeyse imkansız. varyasyonları numuneden kaynaklanan sorunları önlemek için, tüm sabitler bir örnekten ölçülmelidir. Li ve diğ., Titreşim eko ultrason ve ters empedans spektroskopisi 5 bir kombinasyonu kullanılarak, oda sıcaklığında bir numune tüm sabitleri başarılı bir ölçüm bildirilmiştir. Ne yazık ki, bu tekniğin fırın içinde doğrudan ultrasonik ölçümlerin yapılması mümkün değildir, çünkü yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirmek zordur. Yüksek sıcaklıklarda çalışmak herhangi bir ticari olarak temin edilebilen kesme dönüştürücüler vardır. Buna ek olarak, bağlantı yağ trans bağlandığınıducer ve örnek yüksek sıcaklıklarda çalışamaz.
Prensip olarak, RUS teknik yalnızca bir örnek 6,7 kullanarak piezoelektrik malzemeler ve ısı bağımlılığı tam set malzeme sabitlerini belirlemek için yeteneğine sahiptir. Ama RUS tekniğin doğru uygulanması için birkaç kritik adımlar vardır. İlk olarak, oda sıcaklığında tensör özelliklerinin tam grubu doğru darbe eko ve RUS teknikleri bir arada kullanılarak tespit edilmelidir. İkincisi, bu oda sıcaklığı veri setinin rezonans frekanslarını tahmin etmek ve ilgili modlarını belirlemek için ölçülen olanları maç için kullanılabilir. Üçüncü olarak, oda sıcaklığı up sıcaklığın her küçük artım için, bir ölçülen rezonans spektrumunun bu yeni sıcaklıkta tam set sabitleri almak için ölçülen rezonans spektrumuna karşı spektrum rekonstrüksiyon yapılması gerekiyor. Ardından, yeni veri yeni bir başlangıç noktası olarak belirlenen kullanarak, biz Bir sonraki sıcaklıkta tam set sabitleri almak için başka bir küçük sıcaklık adım sıcaklık artışı. Bu süreci devam eden bize tam set malzeme sabitleri sıcaklık bağımlılığını elde etmek için izin verecektir.
Burada, PZT-4 piezoseramik Örnek RUS tekniğin ölçüm prosedürü göstermek için kullanılır. 5 elastik sabitler, 3 piezoelektrik sabitleri ve 2 dielektrik sabitleri: kutuplu PZT-4 seramik 10 bağımsız malzeme sabitleri ile ∞m simetriye sahiptir. dielektrik sabitleri rezonans frekansları değişim duyarsız olduğu için, ayrı ayrı, aynı numune kullanılarak ölçüldü. kenetli dielektrik sabitleri sıcaklığa bağımlılığı 
ve 
, Kapasite ölçümleri doğrudan ölçüldü ücretsiz dielektrik sabitleri iseOAD / 53461 / image005.jpg "/> ve Aynı anda ölçülen veri tutarlılığı kontrolleri olarak kullanılmıştır. sabit bir elektrik alanı elastik sertlik sabitleri sıcaklığa bağlılığı 
, 
, 
, 
ve 
Ve piezoelektrik gerilme sabit 15, E 31, E ve E 33, aynı numune kullanılarak RUS tekniği ile belirlendi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada anlatılan RUS teknik böylece kendini tutarlılık garanti edilebilir numuneden numuneye mülkiyet değişimi kaynaklanan hataları ortadan kaldırır sadece bir örnek, kullanarak tam set malzeme sabitleri ölçebilirsiniz. bunlar piezoelektrik ya da değil yöntem olup, yüksek bir kalite faktörü Q bir katı madde için bir madde de kullanılabilir. Tüm diğer standart karakterizasyon teknikleri tam set veri almak için birkaç örnek gerektiren ve kendi içinde tutarlı veri elde etmek zordur.
<p class…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11374245), the NIH under Grant No. P41-EB2182, the Natural Science Foundation of Fujian Province, China (Grant No. 2013J01163), and the Open Research Fund of the State Key Laboratory of Acoustics, Chinese Academy of Science (Grant No. SKLA201306).
Materials
| PZT-4 | TRS | |
| paraffin | MTI Corporation | 8002-74-2 |
| conductive silver paint | MG Chemicals | 842-20G |
| Al2O3 Powder | MTI Corporation | |
| coupling grease | Panametrics |
References
- Jaffe, B., Cook, W. R., Jaffe, H. . Piezoelectric Ceramics. , (1971).
- Chaussy, C., Thuroff, S., Rebillard, X., Gelet, A. Technology insight: High-intensity focused ultrasound for urologic cancers. Nat. Clin. Pract. Urol. 2, 191-198 (2005).
- Haar, G. T., Coussios, C. High intensity focused ultrasound: physical principles and devices. Int. J. Hyperthermia. 23, 89-104 (2007).
- Topolov, V. Y. Comment on “Complete sets of elastic, dielectric, and piezoelectric properties of flux-grown [011]-poled Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(28-32)% PbTiO3 single crystals”. Appl. Phys. Lett. 96, 196101 (2010).
- Li, S. Y., et al. Characterization of full set material constants of piezoelectric materials based on ultrasonic method and inverse impedance spectroscopy using only one sample. J. Appl. Phys. 114, 104505 (2013).
- Ohno, I. Rectangular parallellepiped resonance method for piezoelectric crystals and elastic constants of alpha-quartz. Phys. Chem. Miner. 17, 371-378 (1990).
- Ogi, H., Kawasaki, Y., Hirao, M., Ledbetter, H. Acoustic spectroscopy of lithium niobate: Elastic and piezoelectric coefficients. J. Appl. Phys. 92, 2451 (2002).
- Pujol, J. The solution of nonlinear inverse problems and the Levenberg-Manquardt method. Geophysics. 72, 1-16 (2007).
- Moré, J. J., Garbow, B. S., Hillstrom, K. E. User Guide for MINPACK-1. Argonne National Laboratories Report ANL-80-74. , (1980).
- Tang, L. G., Cao, W. W. Temperature dependence of self-consistent full matrix material constants of lead zirconate titanate ceramics. Appl. Phys. Lett. 106, 052902 (2015).
- Topolov, V. Y., Bowen, C. R. Inconsistencies of the complete sets of electromechanical constants of relaxor-ferroelectric single crystals. J. Appl. Phys. 109, 094107 (2011).
- Berlincourt, D., Krueger, H. H. A. . Properties of Morgan Electroceramic ceramics. Technique publication TP-226. , (2000).
- Migliori, A., Sarrao, J. L. . Resonant ultrasound spectroscopy. , (1997).
- Zadler, B. J., Le Rousseau, J. H. L., Scales, J. A., Smith, M. L. Resonant ultrasound spectroscopy: Theory and application. Geophys. J. Int. 156, 154-169 (2004).
