Karakterisering van de volledige set Material constanten en hun Temperatuur Afhankelijkheid van piëzo-elektrische materialen met behulp van Resonant Ultrasound Spectroscopie
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
Tijdens het gebruik van hoog vermogen elektromechanische apparatuur, een temperatuurstijging onvermijdelijk door mechanische en elektrische verliezen, waardoor de degradatie van de prestaties van het apparaat. Om dergelijke verslechteringen behulp computersimulaties evalueren, zijn volledige matrixmateriaal eigenschappen bij verhoogde temperaturen nodig als invoer. Het is uiterst moeilijk om dergelijke gegevens voor ferro-elektrische materialen te meten door hun sterke anisotrope aard en eigenschap variatie tussen monsters van verschillende geometrieën. Omdat de mate van depolarisatie is randvoorwaarde afhankelijk, verkregen door de IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedantie resonantie techniek die meerdere monsters met drastisch verschillende geometrieën vereist, gewoonlijk missen zelfconsistentie. De resonerende ultrasone spectroscopie (RUS) techniek maakt het mogelijk de volledige set materiaal constanten te meten met behulp van slechts één monster, die fouten veroorzaakt door monster tot Variat monster kan eliminerenion. Een gedetailleerde RUS procedure wordt hier getoond aan de hand van een loodzirconaattitanaat (PZT-4) piëzokeramisch monster. In het voorbeeld, het benodigde materiaal constanten gemeten van kamertemperatuur tot 120 ° C. Gemeten gratis diëlektrische constanten 
en 
werden vergeleken met degenen berekend op basis van de gemeten volledige set van gegevens, en piëzo-elektrische constanten d 15 en d 33 werden ook berekend met behulp van verschillende formules. Uitstekende overeenkomst werd gevonden in het hele scala van temperaturen, waarbij de zelf-consistentie van de dataset verkregen door RUS bevestigd.
Introduction
Loodzirconaattitanaat (PZT) piëzo-elektrische keramiek, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3 en zijn derivaten zijn op grote schaal gebruikt in ultrasone transducers, sensoren en actuatoren sinds 1950 1. Veel van deze elektromechanische apparaten worden gebruikt bij hoge temperaturen, zoals ruimtevoertuigen en een ondergrondse goed in te loggen. Bovendien high power apparaten, zoals therapeutische ultrasone transducenten, piëzo- elektrische transformatoren en sonar projectoren, vaak warmte tijdens het gebruik. Een dergelijke temperatuur stijgt zal de resonantie frequenties en het brandpunt van transducers veranderen, leidt tot een ernstige vermindering van de prestaties. Hoge intensity focused ultrasound (HIFU) technologie reeds klinisch gebruikt voor de behandeling van tumoren, maakt gebruik van ultrasone transducenten uit PZT keramiek. Tijdens bedrijf zal de temperatuur van deze transducers verhogen, waardoor een verandering van het materiaal constanten van de PZT resonator, waardoor het HI verandertFU middelpunt en het uitgangsvermogen 2,3. De verschuiving van het zwaartepunt kan leiden tot ernstige ongewenste resultaten, dat wil zeggen, gezonde weefsels worden vernietigd in plaats van kanker weefsels. Aan de andere kant, als het brandpunt verschuiving worden voorspeld kon elektronische ontwerpen te gebruiken om deze verschuiving te corrigeren. Daarom meet de temperatuurafhankelijkheid van de volledige set materiaaleigenschappen van piëzoelektrische materialen belangrijk voor het ontwerpen en evalueren van verschillende elektromechanische inrichtingen, bijzonder hoog vermogen apparaten.
Gepoolde ferro-elektrische materialen zijn de beste piëzo-elektrische materialen die vandaag de dag bekend. In feite, bijna alle piëzo-elektrische materialen die momenteel in gebruik zijn ferro-elektrische materialen, waaronder vaste oplossing PZT keramiek en (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) enkele kristallen. De IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedantie resonantie methode vereist 5-7 monsters met drastitisch verschillende geometrieën met het oog op de volledige reeks materiaal karakteriseren constanten 4. Het is bijna onmogelijk om zelfconsistente volledige set matrix data via IEEE impedantie resonantie werkwijze voor het ferroelektrische materiaal, omdat de polingsgraad afhankelijk van de monstergeometrie (randvoorwaarden) te verkrijgen, terwijl sample eigenschappen afhangen van de mate van poling. Om problemen veroorzaakt door monster tot variaties monster te voorkomen, moeten alle constanten worden gemeten van het ene monster. Li et al. Beschreven een succesvolle meting van constanten van een monster bij kamertemperatuur door een combinatie van puls-echo echografie en inverse impedantie spectroscopie 5. Helaas is deze techniek moeilijk uit te voeren bij verhoogde temperaturen, omdat het niet mogelijk is om ultrasone metingen uitvoeren zonder in de oven. Er zijn ook geen commercieel verkrijgbaar shear transducers die kan werken bij hoge temperaturen. Bovendien is de koppeling vet dat de trans gebondenducer en het monster kan niet bij hoge temperaturen.
In principe RUS techniek heeft de mogelijkheid om de volledige set materiaalconstanten van piëzoelektrische materialen en hun temperatuursafhankelijkheid met slechts één monster 6,7 bepalen. Maar er zijn verschillende kritische stappen voor de goede uitvoering van de RUS-techniek. Ten eerste moet de volledige set tensor eigenschappen bij kamertemperatuur nauwkeurig worden vastgesteld door een combinatie van puls-echo en RUS technieken. Ten tweede kan deze kamertemperatuur dataset worden gebruikt om de resonantiefrequenties te voorspellen en om de gemeten die overeenkomen om de desbetreffende modi identificeren. Ten derde, voor elke kleine toename van de temperatuur van kamertemperatuur, moet men spectrum reconstructie voeren tegen het gemeten resonantiespectrum om de volledige reeks constanten in deze nieuwe temperatuur van het gemeten resonantiespectrum halen. Dan, met behulp van de nieuwe gegevens in te stellen als de nieuwe uitgangspunt, kunnen we verhoging van de temperatuur met een ander klein temperatuur stap naar de volledige set constanten krijgen bij de volgende temperatuur. Voortzetting van dit proces zal ons toelaten om de temperatuur afhankelijkheid van de volledige reeks materiaal constanten te verkrijgen.
Hier wordt een PZT-4 piezokeramische sample gebruikt voor de meting van de RUS techniek te illustreren. De gepoolde PZT-4 keramische heeft ∞m symmetrie met 10 onafhankelijke materiaal constanten: 5 elastische constanten, 3 piëzo-elektrische constanten en 2 diëlektrische constanten. Omdat de diëlektrische constanten zijn ongevoelig voor de verandering resonantiefrequenties, werden ze afzonderlijk gemeten met behulp van hetzelfde monster. De temperatuurafhankelijkheid van geklemd diëlektrische constanten 
en 
werden direct gemeten vanaf de capaciteitsmetingen, terwijl de vrije diëlektrische constantenoad / 53461 / image005.jpg "/> en gemeten op hetzelfde tijdstip werden gebruikt als data consistentiecontroles. De temperatuurafhankelijkheid van elastische constanten stijfheid bij constante elektrische veld 
, 
, 
, 
en 
En piëzo-elektrische spanning constanten e 15, e 31 e en 33 werden bepaald door het RUS techniek met behulp van hetzelfde monster.
Protocol
Representative Results
Discussion
De RUS techniek hier beschreven, kunnen de volledige reeks materiaal constanten te meten met behulp van slechts één monster, dat fouten die worden veroorzaakt door verhuurder variatie van monster tot monster zodat self-consistentie kan worden gegarandeerd elimineert. De werkwijze kan worden gebruikt voor elk vast materiaal met een hoge kwaliteitsfactor Q, ongeacht of zij piezoelektrische of niet. Alle andere standaard karakterisering technieken vereisen verschillende samples om de volledige reeks gegevens op te halen …
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).
