توصيف يشبع مجموعة المواد الثوابت ومنها الاعتماد درجة الحرارة لمواد الكهروإجهادية عن طريق الرنين الموجات فوق الصوتية الطيفي
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
أثناء تشغيل الأجهزة الكهربائية عالية الطاقة، وارتفاع درجة الحرارة أمر لا مفر منه بسبب الخسائر الميكانيكية والكهربائية، مما تسبب في تدهور أداء الجهاز. من أجل تقييم هذه انحطاط باستخدام المحاكاة الحاسوبية، وهناك حاجة إلى كامل خصائص المواد المصفوفة في درجات حرارة مرتفعة كمدخلات. ومن الصعب للغاية لقياس هذه البيانات للمواد متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف بسبب القوي طبيعة متباين الخواص والممتلكات الاختلاف بين عينات من هندستها مختلفة. لأن درجة الاستقطاب هي حالة الحدودية التابعة، البيانات التي تم الحصول عليها من قبل IEEE (معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات) تقنية مقاومة الرنين، الأمر الذي يتطلب عدة عينات مع هندستها مختلفة اختلافا جذريا، وعادة ما تفتقر إلى الاتساق الذاتي. الطيفي الموجات فوق الصوتية الرنانة (RUS) تسمح تقنية كاملة الثوابت مجموعة المواد التي سيتم قياسها باستخدام عينة واحدة فقط، والتي يمكن التخلص من الأخطاء الناجمة عن عينة لعينة variatأيون. ويتجلى إجراء RUS مفصل هنا باستخدام تيتانات zirconate الرصاص (PZT-4) عينة piezoceramic. في المثال، تم قياس مجموعة كاملة من الثوابت المادية من درجة حرارة الغرفة إلى 120 درجة مئوية. قياس الثوابت عازلة خالية 
و 
كانت مقارنة مع تلك المحسوبة على أساس البيانات مجموعة كاملة قياس، والثوابت كهرضغطية د 15 و د 33 وحسبت أيضا باستخدام صيغ مختلفة. تم التوصل إلى اتفاق ممتاز في مجموعة كاملة من درجات الحرارة، التي أكدت الاتساق الذاتي من مجموعة البيانات التي حصلت عليها RUS.
Introduction
الرصاص تيتانات zirconate (PZT) السيراميك كهرضغطية، (1-س) PbZrO 3 -xPbTiO 3، وتم مشتقاته تستخدم على نطاق واسع في محولات بالموجات فوق الصوتية، وأجهزة الاستشعار والمحركات منذ 1950s 1. وتستخدم العديد من هذه الأجهزة الكهروميكانيكية في نطاقات ارتفاع في درجة الحرارة، مثل مركبات الفضاء وتحت الأرض قطع الأشجار بشكل جيد. وعلاوة على ذلك، وأجهزة عالية الطاقة، مثل محولات الطاقة العلاجية بالموجات فوق الصوتية، محولات كهرضغطية وأجهزة العرض السونار، في كثير من الأحيان حرارة تصل خلال العملية. وهذه الارتفاعات في درجة الحرارة تغيير ترددات الرنين والنقطة المحورية لمحولات الطاقة، مما تسبب في تدهور الأداء شديد. ركزت كثافة عالية الموجات فوق الصوتية (HIFU) والتكنولوجيا، وتستخدم بالفعل في الممارسة السريرية لعلاج الأورام، ويستخدم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية المصنوعة من السيراميك PZT. وخلال العملية، ودرجة حرارة هذه محولات زيادة، مما تسبب في تغيير الثوابت المادية للمرنان PZT، والذي بدوره سيغير مرحباالنقطة المحورية FU فضلا عن 2،3 انتاج الطاقة. التحول من نقطة محورية قد يؤدي إلى نتائج غير مرغوب فيها خطيرة، أي الأنسجة السليمة التي دمرت بدلا من الأنسجة السرطانية. من ناحية أخرى، إذا كان من الممكن توقع تحول نقطة الاتصال، يمكن للمرء أن استخدام تصاميم الإلكترونية لتصحيح هذا التحول. لذلك، وقياس درجة حرارة الاعتماد على خصائص المواد مجموعة كاملة من المواد كهرضغطية مهم جدا لتصميم وتقييم العديد من الأجهزة الكهربائية، وخاصة الأجهزة عالية الطاقة.
المواد متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف Poled هي أفضل المواد كهرضغطية يعرف اليوم. في الواقع، تقريبا كل المواد كهرضغطية المستخدمة حاليا هي مواد متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف، بما في ذلك السيراميك PZT حل متين و(1-س) الرصاص (المغنيسيوم 1/3 ملحوظة 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) بلورات واحدة. وIEEE (معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات) طريقة مقاومة صدى يتطلب 5-7 عينات مع drastiساتيا هندستها مختلفة من أجل توصيف المواد مجموعة كاملة الثوابت 4. يكاد يكون من المستحيل الحصول على بيانات كاملة مجموعة مصفوفة متسقة ذاتيا باستخدام IEEE طريقة مقاومة صدى للمواد متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف لأن درجة poling تعتمد على عينة الهندسة (شروط الحدود)، في حين تعتمد خصائص العينة على مستوى poling. لتجنب المشاكل الناجمة عن عينة لعينة الاختلافات، وينبغي قياس كل الثوابت من عينة واحدة. لي وآخرون. وذكرت قياس النجاح في كل الثوابت من عينة واحدة في درجة حرارة الغرفة باستخدام مزيج من نبض صدى الموجات فوق الصوتية ومقاومة عكسية الطيفي 5. للأسف، هذه التقنية من الصعب أن ينجز في درجات حرارة مرتفعة لأنه من غير الممكن إجراء قياسات بالموجات فوق الصوتية مباشرة داخل الفرن. هناك أيضا أي محولات القص المتاحة تجاريا التي يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الشحوم اقتران ذلك ملزمة العابرةducer والعينة لا يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية.
من حيث المبدأ، وتقنية RUS لديها القدرة على تحديد مجموعة كاملة الثوابت مادة من المواد كهرضغطية والاعتماد بدرجة الحرارة فقط باستخدام عينة واحدة 6،7. ولكن هناك العديد من الخطوات الهامة للتنفيذ السليم للتقنية RUS. أولا، مجموعة كاملة من الخصائص الموترة في درجة حرارة الغرفة يجب تحديدها بدقة باستخدام مزيج من نبض الصدى وتقنيات RUS. ثانيا، هذه درجة حرارة الغرفة مجموعة بيانات يمكن استخدامها للتنبؤ ترددات الرنين ولتتناسب مع تلك المقاسة من أجل تحديد وسائل المقابلة. ثالثا، لكل زيادة صغيرة في درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة حتى، يحتاج المرء لأداء إعادة الإعمار الطيف مقابل طيف الرنين قياس من أجل استرداد مجموعة الثوابت كاملة عند هذه الدرجة الجديدة من الطيف الرنين قياسه. ثم، وذلك باستخدام مجموعة البيانات الجديدة كنقطة انطلاق جديدة، نستطيع زيادة درجة الحرارة بمقدار خطوة صغيرة في درجة الحرارة أخرى للحصول على مجموعة ثوابت كامل في درجة الحرارة القادمة. واستمرار هذه العملية تسمح لنا للحصول على الاعتماد درجة حرارة الكاملة الثوابت مجموعة المواد.
هنا، يتم استخدام PZT-4 عينة piezoceramic لتوضيح إجراءات قياس تقنية RUS. وpoled PZT-4 السيراميك ديه التماثل ∞m مع 10 الثوابت المستقلة المواد: 5 الثوابت المرنة، 3 الثوابت كهرضغطية و2 الثوابت عازلة. لأن الثوابت عازلة لا تعير اهتماما لتغيير ترددات الرنين، وقياسها بشكل منفصل باستخدام نفس العينة. الاعتماد درجة حرارة الثوابت عازلة فرضت 
و 
تم قياس مباشرة من قياسات السعة، في حين أن الثوابت عازلة خاليةOAD / 53461 / image005.jpg "/> و يقاس في نفس الوقت كانت تستخدم ليتحقق اتساق البيانات. الاعتماد درجة حرارة الثوابت صلابة مرنة في الحقل الكهربائي المستمر 
، 
، 
، 
و 
، والثوابت الضغط كهرضغطية E 15، ه 31 ه 33 تم تحديدها بواسطة تقنية RUS باستخدام نفس العينة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقنية RUS الموصوفة هنا يمكن قياس الثوابت الكاملة المواد مجموعة باستخدام عينة واحدة فقط، مما يلغي الأخطاء الناجمة عن تغير الملكية من عينة لعينة بحيث الاتساق الذاتي يمكن أن تكون مضمونة. هذه الطريقة يمكن أن تستخدم في أي مادة صلبة مع عامل جودة عالية س، بغض النظر إذا كانت ك…
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).
