フルセット材料定数のキャラクタリゼーションと共鳴超音波スペクトロスコピーを用いた圧電材料のための彼らの温度依存性
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
高電力電気機械デバイスの動作中に、温度上昇は、デバイス性能の低下を引き起こす原因で機械的および電気的損失を避けられません。コンピュータシミュレーションを用いて、このような劣化を評価するために、高温で完全なマトリックス材料特性は、入力として必要とされています。異なる形状のサンプル間の強い異方性の性質及び特性の変化に起因する強誘電体材料のようなデータを測定することは極めて困難です。脱分極の程度に依存境界条件であるため、大幅に異なる形状を有する複数のサンプルを必要とするIEEE（電気電子学会）インピーダンス共鳴技術によって得られたデータは、通常、自己一貫性を欠いています。共鳴超音波分光法（RUS）技術がvariatをサンプリングするサンプルによる誤差をなくすことができる唯一の一つのサンプルを用いて測定されるようにフルセットの材料定数を可能にしますイオン。詳細RUS手順は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT-4）圧電セラミックのサンプルを使用してここで実証されます。実施例では、材料定数の完全なセットは、120℃の室温から測定しました。測定された無料の誘電率
そして
測定されたフルセットのデータに基づいて算出したものと比較して、圧電定数は15 DおよびD 33は 、異なる式を用いて計算しました。優れた契約はRUSによって得られたデータセットの自己整合性を確認し、温度の全範囲で発見されました。
Introduction
チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）の圧電セラミックス、（1-x）は3 -xPbTiO 3によるPbZrO、およびその誘導体が広く1950 1は、超音波トランスデューサ、センサおよびアクチュエータに使用されてきました。これらの電気機械デバイスの多くは、宇宙船および地下井戸ロギングなどの高い温度範囲にて使用されます。また、このような治療超音波トランスデューサ、圧電トランスやソナープロジェクター、運転中にしばしばヒートアップなどの高電力デバイス、。このような温度上昇は、深刻なパフォーマンスの低下を引き起こし、共振周波数およびトランスデューサの焦点を変更します。高い強度は、既に腫瘍の治療のための臨床診療で使用される超音波（HIFU）技術は、PZTセラミックス製の超音波トランスデューサを使用して焦点を当てました。動作中は、これらの変換器の温度が順番にHIを変更しますPZT共振器の材料定数の変化を引き起こし、増加しますFU焦点だけでなく、出力電力2,3。焦点のシフトではなく、癌組織の破壊される深刻な不要な結果、 すなわち 、健康な組織につながる可能性があります。焦点ずれを予測することができる一方、一つは、このようなずれを補正するために電子設計を使用することができます。したがって、圧電材料の完全なセットの材料特性の温度依存性を測定する多くの電気機械デバイス、特にハイパワーデバイスの設計及び評価のために非常に重要です。
分極した強誘電体材料は、今日知られている最高の圧電材料です。実際には、現在使用されているほぼ全ての圧電材料が固溶体PZTセラミックスと（1-x）でのPb（Mgの1/3のNb 2/3）O 3 -xPbTiO 3（PMN-PT）単結晶を含む強誘電体材料が、あります。インピーダンス共鳴法IEEE（電気電子学会）がdrastiで5-7のサンプルを必要としますフルセットの材料定数4を特徴付けるために的に異なる形状。分極の程度は試料の幾何学的形状（境界条件）に依存するため、試料の特性は分極のレベルに依存しつつ、強誘電性材料のためのIEEEインピーダンス共鳴法を用いて、自己矛盾のないフルセットのマトリクスデータを取得することはほぼ不可能です。変化をサンプリングするサンプルによって引き起こされる問題を回避するために、すべての定数は、一つのサンプルから測定されるべきです。 Li らは、パルスエコー超音波と逆インピーダンス分光5の組み合わせを用いて、室温で1サンプルからすべての定数の成功した測定を報告しました。残念ながら、この技術は、炉内に直接超音波測定を行うことができないため、高温で行うことは困難です。高温で動作することができない市販のせん断トランスデューサもありません。トランス結合した他に、カップリンググリースデューサとサンプルは高温で動作することはできません。
原理的には、RUSの技術は、一つのサンプル6,7を用いた圧電材料とその温度依存性の完全なセットの材料定数を決定する能力を有します。しかし、RUS法の適切な実施のためのいくつかの重要なステップがあります。まず、室温でテンソル特性のフルセットは、正確にパルスエコーとRUS技術の組み合わせを使用して決定されるべきです。第二に、この室温のデータセットは、共振周波数を予測するために、対応するモードを識別するために測定されたものと一致するために使用することができます。第三には、室温までの温度の各小増分のために、1は、測定された共鳴スペクトルから、この新たな温度でフルセットの定数を取得するために測定された共鳴スペクトルに対するスペクトル再構成を実行する必要があります。そして、新たな出発点として、新しいデータセットを使用して、我々はできます次の温度でフルセットの定数を取得するために別の小さな温度ステップによって温度を上昇させます。このプロセスを続けると、私たちはフルセットの材料定数の温度依存性を得ることができるようになります。
ここでは、PZT-4圧電セラミックサンプルはRUS法の測定手順を説明するために使用されます。 5弾性定数、3圧電定数と2誘電率：分極反転PZT-4セラミックは10の独立した材料定数と∞m対称性を有します。誘電定数は、共振周波数の変化に鈍感であるので、それらは別々に、同じサンプルを用いて測定しました。クランプ誘電率の温度依存性
そして
無料の誘電定数ながら、容量測定から直接測定しました。OAD / 53461 / image005.jpg "/>と同時に測定データの整合性チェックとして使用しました。一定の電界での弾性スティフネス定数の温度依存性
、 
、 
、 
そして
、圧電応力定数が15、E 31、E及びE 33は、同じ試料を用いRUS法によって決定しました。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで説明RUS技術は、自己整合性を保証することができるように、サンプルからサンプルへの特性変化に起因する誤差を排除するだけのサンプルを使用して完全なセットの材料定数を測定することができます。それらは、圧電又はない場合の方法は、高い品質係数Qを有する任意の固体材料に関係なく使用することができます。他のすべての標準的な特徴付け技術は、フルセットのデータを取…
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).
