पूर्ण सेट सामग्री स्थिरांक की विशेषता और piezoelectric सामग्री के लिए उनके तापमान निर्भरता गुंजयमान अल्ट्रासाउंड स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग
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
उच्च शक्ति विद्युत उपकरणों के संचालन के दौरान, एक तापमान में वृद्धि अपरिहार्य यांत्रिक और बिजली के घाटे के कारण, इस उपकरण के प्रदर्शन में गिरावट का कारण है। आदेश कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग इस तरह के degradations का मूल्यांकन करने के लिए, ऊंचा तापमान पर पूर्ण मैट्रिक्स सामग्री गुण सामग्री के रूप में की जरूरत है। यह अलग geometries के नमूनों के बीच अपनी मजबूत अनिसोट्रोपिक प्रकृति और संपत्ति भिन्नता के कारण ferroelectric सामग्री के लिए इस तरह के डेटा को मापने के लिए बेहद मुश्किल है। क्योंकि विध्रुवण की डिग्री सीमा शर्त निर्भर, आईईईई (इलेक्ट्रिकल और इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियर्स संस्थान) प्रतिबाधा अनुनाद तकनीक है, जो काफी अलग geometries के साथ कई नमूने की आवश्यकता द्वारा प्राप्त आंकड़ों है, आम तौर पर स्वयं निरंतरता की कमी है। गुंजयमान अल्ट्रासाउंड स्पेक्ट्रोस्कोपी (रस) तकनीक पूरा सेट सामग्री स्थिरांक केवल एक नमूना का उपयोग करके मापा जा करने के लिए है, जो नमूना variat नमूने के लिए की वजह से त्रुटियों को समाप्त कर सकते हैं अनुमति देता हैआयन। एक विस्तृत रस प्रक्रिया यहाँ प्रदर्शन किया है एक titanate नेतृत्व zirconate (PZT -4) piezoceramic नमूना का उपयोग कर। उदाहरण के लिए, सामग्री स्थिरांक का पूरा सेट 120 डिग्री सेल्सियस के लिए कमरे के तापमान से मापा गया था। मापा मुक्त अचालक स्थिरांक 
तथा 
मापा पूरा सेट डेटा के आधार पर गणना की तुलना में लोगों के साथ थे, और पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक 15 डी और डी 33 भी अलग फार्मूले का उपयोग कर की गणना की गई। उत्कृष्ट समझौते तापमान है, जो रस से प्राप्त आंकड़ों के सेट के आत्म स्थिरता की पुष्टि की पूरी रेंज में मिला था।
Introduction
Titanate नेतृत्व zirconate (PZT) पीजोइलेक्ट्रिक मिट्टी के बरतन, (1 एक्स) PbZrO 3 -xPbTiO 3, और उसके डेरिवेटिव व्यापक रूप से 1950 के दशक के बाद से 1 अल्ट्रासोनिक transducers, सेंसर और actuators में इस्तेमाल किया गया है। इन विद्युत उपकरणों से कई ऐसे अंतरिक्ष वाहनों के लिए और भूमिगत अच्छी तरह से प्रवेश के रूप में उच्च तापमान पर्वतमाला, पर इस्तेमाल कर रहे हैं। इसके अलावा, इस तरह के चिकित्सकीय अल्ट्रासोनिक transducers, पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसफार्मर और सोनार प्रोजेक्टर, आपरेशन के दौरान अक्सर गर्मी-अप के रूप में उच्च बिजली उपकरणों। जैसे तापमान बढ़ जाता है गूंज आवृत्तियों और ट्रांसड्यूसर का केन्द्र बिन्दु बदल जाएगा, गंभीर के प्रदर्शन में गिरावट के कारण। उच्च तीव्रता केंद्रित अल्ट्रासाउंड (HIFU) प्रौद्योगिकी, पहले से ही ट्यूमर के उपचार के लिए नैदानिक अभ्यास में इस्तेमाल किया, अल्ट्रासोनिक PZT मिट्टी के पात्र का बना ट्रांसड्यूसर उपयोग करता है। आपरेशन के दौरान, इन transducers के तापमान में वृद्धि होगी, PZT गुंजयमान यंत्र की सामग्री स्थिरांक का एक परिवर्तन है, जो बारी में एचआई के कारण बदल जाएगाफू केन्द्र बिन्दु के रूप में अच्छी तरह से बिजली उत्पादन 2,3। केन्द्र बिन्दु की पारी गंभीर अवांछित परिणाम, यानी, स्वस्थ ऊतकों कैंसर के ऊतकों के बजाय नष्ट किया जा रहा करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं। दूसरी ओर, यदि केन्द्र बिन्दु पारी की भविष्यवाणी की जा सकती है, एक इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन इस तरह के बदलाव का सही करने के लिए इस्तेमाल कर सकते हैं। इसलिए, piezoelectric सामग्री का पूरा सेट सामग्री के गुणों का तापमान निर्भरता को मापने के डिजाइन और कई विद्युत उपकरणों, विशेष रूप से उच्च बिजली उपकरणों के मूल्यांकन के लिए बहुत महत्वपूर्ण है।
Poled ferroelectric सामग्री सबसे अच्छा पीजोइलेक्ट्रिक आज ज्ञात सामग्री रहे हैं। वास्तव में, वर्तमान में उपयोग में लगभग सभी पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री ठोस समाधान PZT और मिट्टी के पात्र (1 एक्स) पंजाब (मिलीग्राम 1/3 नायब 2/3) ओ 3 -xPbTiO 3 (PMN-पीटी) एकल क्रिस्टल सहित ferroelectric सामग्री, कर रहे हैं। आईईईई प्रतिबाधा प्रतिध्वनि विधि (इलेक्ट्रिकल और इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियर्स संस्थान) drasti के साथ 5-7 के नमूने की आवश्यकता हैबड़ी सफाई के क्रम में पूरा सेट सामग्री को चिह्नित करने में विभिन्न geometries 4 स्थिरांक। यह लगभग ferroelectric सामग्री के लिए आईईईई प्रतिबाधा प्रतिध्वनि विधि का उपयोग क्योंकि मतदान की डिग्री पर नमूना ज्यामिति (सीमा की स्थिति) पर निर्भर करता है आत्म-संगत पूरा सेट मैट्रिक्स डेटा प्राप्त करने के लिए असंभव है, जबकि नमूना गुण मतदान के स्तर पर निर्भर है। नमूना की वजह से बदलाव के नमूने को समस्याओं से बचने के लिए, सभी स्थिरांक एक नमूना से मापा जाना चाहिए। ली एट अल। नाड़ी गूंज अल्ट्रासाउंड और उलटा प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी 5 का एक संयोजन का उपयोग करके कमरे के तापमान पर एक नमूना से सभी स्थिरांक के सफल माप की सूचना दी। दुर्भाग्य से, इस तकनीक को ऊंचा तापमान पर प्रदर्शन करने के लिए है, क्योंकि यह संभव अल्ट्रासोनिक माप भट्ठी सीधे अंदर प्रदर्शन करने के लिए नहीं है कठिन है। वहाँ भी कोई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध कतरनी ट्रांसड्यूसर कि उच्च तापमान पर काम कर सकते हैं। इसके अलावा, युग्मन तेल ट्रांस बाध्य किducer और नमूना उच्च तापमान पर काम नहीं कर सकता।
सिद्धांत रूप में, रस तकनीक क्षमता पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री और उनके तापमान निर्भरता का पूरा सेट सामग्री स्थिरांक केवल एक नमूना 6.7 का उपयोग कर निर्धारित करने के लिए है। लेकिन वहाँ रस तकनीक के समुचित कार्यान्वयन के लिए कई महत्वपूर्ण कदम उठाए हैं। सबसे पहले, कमरे के तापमान पर tensor गुण का पूरा सेट सही नाड़ी गूंज और रस की तकनीक के संयोजन का उपयोग निर्धारित किया जाना चाहिए। दूसरा, इस कमरे के तापमान डेटा सेट गूंज आवृत्तियों की भविष्यवाणी करने और व्यवस्था की इसी मोड की पहचान करने में मापा वाले मैच के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। तीसरा, कमरे के तापमान से ऊपर तापमान के प्रत्येक छोटे वेतन वृद्धि के लिए, एक आदेश मापा गूंज स्पेक्ट्रम से इस नए तापमान पर पूरा सेट स्थिरांक को पुनः प्राप्त करने में मापा गूंज स्पेक्ट्रम के खिलाफ स्पेक्ट्रम पुनर्निर्माण प्रदर्शन करने की जरूरत है। फिर, नया प्रारंभिक बिंदु के रूप में सेट नए डेटा का उपयोग कर, हम कर सकते हैं अगले तापमान पर पूरा सेट स्थिरांक पाने के लिए एक और छोटे से तापमान कदम से तापमान में वृद्धि। इस प्रक्रिया को जारी रखते हुए हमें पूरा सेट सामग्री स्थिरांक का तापमान निर्भरता प्राप्त करने के लिए अनुमति देगा।
इधर, एक PZT -4 piezoceramic नमूना रस तकनीक की माप प्रक्रिया वर्णन करने के लिए प्रयोग किया जाता है। 5 लोचदार स्थिरांक, 3 पीजोइलेक्ट्रिक स्थिरांक और 2 अचालक स्थिरांक: poled PZT -4 चीनी मिट्टी के 10 स्वतंत्र सामग्री स्थिरांक के साथ ∞m समरूपता है। क्योंकि अचालक स्थिरांक गूंज आवृत्तियों के परिवर्तन के प्रति असंवेदनशील हैं, वे अलग से एक ही नमूना का उपयोग करके मापा गया था। clamped अचालक स्थिरांक का तापमान निर्भरता 
तथा 
समाई माप से सीधे मापा गया जबकि मुक्त अचालक स्थिरांकoad / 53461 / image005.jpg "/> और एक ही समय में मापा डेटा स्थिरता चेक के रूप में इस्तेमाल किया गया। एक निरंतर बिजली के क्षेत्र में लोचदार कठोरता स्थिरांक का तापमान निर्भरता 
, 
, 
, 
तथा 
और पीजोइलेक्ट्रिक तनाव स्थिरांक ई 15, ई 31 और ई 33 ही नमूना का उपयोग कर रस तकनीक द्वारा निर्धारित किया गया है।
Protocol
Representative Results
Discussion
रस तकनीक यहाँ वर्णित केवल एक नमूना है, जो नमूना से संपत्ति परिवर्तन की वजह से नमूने के लिए इतना है कि आत्म स्थिरता की गारंटी दी जा सकती है त्रुटियों को समाप्त का उपयोग कर पूरा सेट सामग्री स्थिरांक उपाय क…
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 |
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