Caracterización del conjunto completo constantes del material y su dependencia de la temperatura de los materiales piezoeléctricos El uso de ultrasonido Espectroscopía de Resonancia
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 el funcionamiento de los dispositivos electromecánicos de alta potencia, un aumento de temperatura es inevitable debido a pérdidas mecánicas y eléctricas, causando la degradación del rendimiento del dispositivo. Con el fin de evaluar tales degradaciones utilizando simulaciones por ordenador, las propiedades del material matriz completa a temperaturas elevadas se necesitan como entradas. Es extremadamente difícil de medir dichos datos de sustancias ferroeléctricas debido a su fuerte variación naturaleza anisotrópica y la propiedad entre muestras de diferentes geometrías. Debido a que el grado de despolarización depende condición de contorno, los datos obtenidos por el IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) técnica de resonancia de impedancia, que requiere varias muestras con diferentes geometrías drásticamente, por lo general carecen de auto-consistencia. La espectroscopia de resonancia de ultrasonido (RUS) técnica permite que las constantes del material conjunto completo para medirse utilizando una sola muestra, que puede eliminar los errores causados por una muestra a otra variation. Un procedimiento detallado RUS se demuestra aquí usando un titanato zirconato de plomo (PZT-4) muestra piezocerámico. En el ejemplo, se midió el conjunto completo de constantes del material desde la temperatura ambiente a 120 ° C. constantes dieléctricas libres medidos 
y 
fueron comparados con los calculados en base a los datos medidos del sistema completo, y las constantes piezoeléctricas D 15 y D 33 también se calcularon utilizando diferentes fórmulas. Se encontró una concordancia excelente en todo el rango de temperaturas, lo que confirmó el auto consistencia del conjunto de datos obtenidos por el RUS.
Introduction
Titanato zirconato de plomo (PZT) cerámicas piezoeléctricas, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3, y sus derivados han sido ampliamente utilizados en los transductores ultrasónicos, sensores y actuadores desde la década de 1950 1. Muchos de estos dispositivos electromecánicos se utilizan en las gamas altas temperaturas, como para los vehículos espaciales y la excavación de pozos subterráneos. Además, los dispositivos de alta potencia, tales como transductores de ultrasonidos terapéuticos, transformadores piezoeléctricos y proyectores de sonar, a menudo de calentamiento durante el funcionamiento. Tales aumentos de temperatura cambiarán las frecuencias de resonancia y el punto focal de transductores, cuyos efectos de la degradación del rendimiento. Enfocado de alta intensidad tecnología de ultrasonido (HIFU), que ya se utiliza en la práctica clínica para el tratamiento de tumores, utiliza transductores ultrasónicos de cerámica PZT. Durante el funcionamiento, la temperatura de estos transductores aumentará, provocando un cambio de las constantes del material del resonador PZT, que a su vez va a cambiar el HIPunto focal FU, así como la potencia de salida de 2,3. El desplazamiento del punto focal puede conducir a resultados adversos graves, es decir, los tejidos sanos siendo destruidos en lugar de tejidos de cáncer. Por otro lado, si el desplazamiento del punto focal se puede predecir, se podría utilizar diseños electrónicos para corregir tal cambio. Por lo tanto, la medición de la dependencia de la temperatura de las propiedades del material conjunto completo de materiales piezoeléctricos es muy importante para el diseño y evaluación de muchos dispositivos electromecánicos, en particular los dispositivos de alta potencia.
materiales ferroeléctricos polarizados son los mejores materiales piezoeléctricos conocidos hoy en día. De hecho, casi todos los materiales piezoeléctricos actualmente en uso son los materiales ferroeléctricos, incluyendo la solución sólida cerámicas PZT y (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) monocristales. El IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) método de resonancia de impedancia requiere de 5-7 muestras con drasticamente diferentes geometrías con el fin de caracterizar el material conjunto completo constantes de 4. Es casi imposible obtener datos de la matriz del sistema completo auto-consistentes utilizando el método de resonancia IEEE impedancia para materiales ferroeléctricos porque el grado de polarización depende de la geometría de la muestra (condiciones de contorno), mientras que las propiedades de la muestra dependen del nivel de polarización. Para evitar los problemas causados por una muestra a variaciones, todas las constantes deben ser medidos de una muestra. Li et al. Informó la medición exitosa de todas las constantes de una muestra a temperatura ambiente mediante el uso de una combinación de espectroscopia de pulso-eco de ultrasonido y la impedancia inversa 5. Desafortunadamente, esta técnica es difícil de realizar a temperaturas elevadas, ya que no es posible realizar mediciones de ultrasonidos directamente en el interior del horno. Asimismo, no hay transductores de corte disponibles en el mercado que pueden trabajar a altas temperaturas. Además, la grasa de acoplamiento que une el transproductor y la muestra no puede funcionar a altas temperaturas.
En principio, la técnica RUS tiene la capacidad de determinar las constantes completos de material conjunto de materiales piezoeléctricos y su dependencia de la temperatura utilizando una sola muestra 6,7. Sin embargo, hay varios pasos críticos para la correcta aplicación de la técnica RUS. En primer lugar, el conjunto completo de propiedades del tensor a temperatura ambiente debe ser determinada con precisión usando una combinación de técnicas RUS pulso-eco y. En segundo lugar, este conjunto de datos la temperatura ambiente puede ser usado para predecir las frecuencias de resonancia y para que coincida con los medidos con el fin de identificar los modos correspondientes. En tercer lugar, para cada pequeño incremento de la temperatura desde la temperatura ambiente hasta, uno necesita para llevar a cabo la reconstrucción espectro contra el espectro de resonancia medida con el fin de recuperar las constantes del sistema completo en esta nueva temperatura a partir del espectro de resonancia medido. Luego, utilizando establecen los nuevos datos como el nuevo punto de partida, podemos aumentar la temperatura por otro paso de temperatura pequeña para obtener las constantes del sistema completo en la próxima temperatura. Continuando con este proceso nos permitirá obtener la dependencia de la temperatura de las constantes del material conjunto completo.
Aquí, una muestra piezocerámico PZT-4 se utiliza para ilustrar el procedimiento de medición de la técnica RUS. El polarizado PZT-4 de cerámica tiene simetría ∞m con 10 constantes independientes de material: 5 constantes elásticas, 3 constantes piezoeléctricas y 2 constantes dieléctricas. Debido a que las constantes dieléctricas son insensibles al cambio de frecuencias de resonancia, que se midieron por separado usando la misma muestra. La dependencia de la temperatura de las constantes dieléctricas sujetadas 
y 
se midieron directamente de las mediciones de capacitancia, mientras que las constantes dieléctricas gratuitasOAD / 53461 / image005.jpg "/> y medido al mismo tiempo, se utilizaron como controles de coherencia de datos. La dependencia de la temperatura de las constantes de rigidez elástica en un campo eléctrico constante 
, 
, 
, 
y 
, Y las constantes de estrés piezoeléctricos E 15, e 31 y 33 e se determinaron por la técnica de RUS utilizando la misma muestra.
Protocol
Representative Results
Discussion
La técnica descrita aquí RUS puede medir las constantes del material del sistema completo utilizando una sola muestra, que elimina los errores causados por la variación de la propiedad de una muestra a fin de que la auto-consistencia puede ser garantizada. El método puede ser utilizado para cualquier material sólido con un alto factor de calidad Q, no importa si son piezoeléctrico o no. Todas las demás técnicas de caracterización requieren varias muestras para obtener los datos del sistema completo y son …
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
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