Caracterização do conjunto completo de constantes do material e sua dependência de temperatura para materiais piezoelétricos Usando Resonant Ultrasound Spectroscopy
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
Durante a operação de dispositivos electromecânicos de alta potência, um aumento de temperatura é inevitável devido às perdas mecânicas e eléctricas, causando a degradação do desempenho do dispositivo. A fim de avaliar tais degradações usando simulações de computador, as propriedades do material de matriz completa a temperaturas elevadas são necessários como entradas. É extremamente difícil medir esses dados para materiais ferroelétricos, devido à sua forte variação anisotrópica natureza e propriedade entre as amostras de diferentes geometrias. Porque o grau de despolarização é condição de contorno dependentes, dados obtidos pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) técnica de ressonância de impedância, o que requer várias amostras com drasticamente diferentes geometrias, geralmente carecem de auto-consistência. A espectroscopia de ultra-som ressonante (RUS) técnica permite que as constantes materiais conjunto completo a ser medido utilizando apenas uma amostra, que pode eliminar erros causados pela amostra para amostra variatíon. Um procedimento detalhado RUS é demonstrado aqui usando um titanato zirconato de chumbo (PZT-4) amostra piezocerâmicos. No exemplo, o conjunto completo de constantes do material foi medida a partir da temperatura ambiente até 120 ° C. Medido constantes dieléctricas livres 
e 
foram comparados com os calculados com base nos dados conjunto completo de medição e constantes piezoelétricas d 15 e d 33 também foram calculadas usando fórmulas diferentes. Excelente concordância foi encontrado em toda a gama de temperaturas, o que confirmou a auto-consistência do conjunto de dados obtidos pelo RUS.
Introduction
Titanato zirconato de chumbo (PZT) cerâmicas piezoeléctricas, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3, e os seus derivados têm sido amplamente utilizados em transdutores ultra-sónicos, sensores e actuadores, uma vez a 1950 um. Muitos destes dispositivos eletromecânicos são usadas em faixas de alta temperatura, como por veículos espaciais e subterrâneos bem login. Além disso, os dispositivos de alta potência, tais como transdutores de ultra-sons terapêuticos, transformadores piezoelétricos e projetores sonar, muitas vezes de aquecimento durante a operação. Tais aumentos de temperatura vai mudar as frequências de ressonância e o ponto focal dos transdutores, causando grave degradação do desempenho. Alta intensidade ultra-som focado tecnologia (HIFU), já utilizado na prática clínica para o tratamento de tumores, utiliza transdutores de cerâmica PZT. Durante a operação, a temperatura destes transdutores irá aumentar, causando uma alteração das constantes de material do ressonador PZT, o qual por sua vez mudará o HIPonto focal FU, bem como a potência de saída de 2,3. A mudança do ponto focal pode levar a resultados indesejáveis graves, ou seja, os tecidos saudáveis sendo destruídas em vez de tecidos de câncer. Por outro lado, se o deslocamento do ponto focal pode ser previsto, pode-se usar modelos electrónicos para corrigir essa mudança. Portanto, medir a dependência da temperatura do total de propriedades do material conjunto de materiais piezoeléctricos é muito importante para a concepção e avaliação de muitos dispositivos eletromecânicos, particularmente dispositivos de alta potência.
materiais ferroelétricos Poled são os melhores materiais piezoelétricos conhecidos hoje. Na verdade, quase todos os materiais piezoeléctricos atualmente em uso são materiais ferroelétricos, incluindo cerâmicas de PZT solução sólida e (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) cristais individuais. O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) método de ressonância impedância requer 5-7 amostras com drasticamente diferentes geometrias, a fim de caracterizar o material conjunto completo constantes 4. É quase impossível a obtenção de dados do conjunto de matriz completa auto-consistente, utilizando o método de ressonância IEEE impedância de materiais ferroeléctricos, porque o grau de Poling depende da geometria da amostra (condições de contorno), enquanto as propriedades de amostra dependem do nível de Poling. Para evitar problemas causados por amostra para amostra variações, todas as constantes devem ser medidos a partir de uma amostra. Li et ai. Relataram a medição bem sucedida de todas as constantes de uma amostra à temperatura ambiente, usando uma combinação de ultra-som de pulso-eco e impedância inversa espectroscopia 5. Infelizmente, esta técnica é difícil de realizar, a temperaturas elevadas, porque não é possível executar medições de ultra-sons directamente dentro do forno. Também não há transdutores de corte disponíveis no mercado que podem trabalhar em altas temperaturas. Além disso, a massa de acoplamento que se ligou o transprodutor e a amostra não pode trabalhar em altas temperaturas.
Em princípio, a técnica RUS tem a capacidade de determinar as constantes materiais conjunto completo de materiais piezoelétricos e sua dependência da temperatura usando apenas uma amostra 6,7. Mas há vários passos críticos para a correcta aplicação da técnica RUS. Primeiro, o conjunto completo de propriedades tensor à temperatura ambiente deve ser determinado com precisão usando uma combinação de técnicas RUS pulso-eco e. Em segundo lugar, este quarto conjunto de dados de temperatura pode ser utilizado para prever as frequências de ressonância e para corresponder aos medidos a fim de identificar os modos correspondentes. Em terceiro lugar, para cada pequeno incremento de temperatura desde a temperatura ambiente até, é necessário para executar a reconstrução do espectro em relação ao espectro de ressonância medida, a fim de recuperar as constantes conjunto completas, nesta nova temperatura a partir do espectro de ressonância medida. Então, usando o novo conjunto de dados como o novo ponto de partida, podemos aumentar a temperatura por mais um passo de temperatura pequena para obter as constantes de jogo completas para o próximo da temperatura. Continuando este processo irá permitir-nos obter a dependência da temperatura das constantes materiais conjunto completo.
Aqui, uma amostra piezocerâmico PZT-4 é usado para ilustrar o processo de medição da técnica rus. O poled PZT-4 cerâmico tem simetria ∞m com 10 constantes independentes do material: 5 constantes elásticas, 3 constantes piezoeléctricos 2 e constantes dieléctricas. Uma vez que as constantes dieléctricas são insensíveis à mudança das frequências de ressonância, que foram medidos separadamente usando a mesma amostra. A dependência da temperatura de constantes dielétricas apertadas 
e 
foram medidas directamente a partir das medições de capacitância, enquanto as constantes dieléctricas livresoad / 53461 / image005.jpg "/> e medida ao mesmo tempo foram usados como controlos de consistência de dados. A dependência da temperatura de constantes de rigidez elástica a um campo eléctrico constante 
, 
, 
, 
e 
, E as constantes de tensão piezoeléctricos E 15, E 31 e E 33 foram determinados pela técnica RUS usando a mesma amostra.
Protocol
Representative Results
Discussion
A técnica RUS descrito aqui pode medir as constantes materiais conjunto completo usando apenas uma amostra, o que elimina erros causados pela variação da propriedade de amostra para amostra de modo que a auto-consistência pode ser garantida. O método pode ser utilizado para qualquer material sólido com um elevado factor de qualidade Q, não importa se eles estão ou não piezoeléctrico. Todas as outras técnicas de caracterização padrão exigir várias amostras para obter o conjunto de dados completo e s?…
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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