توصيف يشبع مجموعة المواد الثوابت ومنها الاعتماد درجة الحرارة لمواد الكهروإجهادية عن طريق الرنين الموجات فوق الصوتية الطيفي

الهدف العام من طريقة مطيافية الرنين بالموجات فوق الصوتية هذه هو قياس مجموعة كاملة من ثوابت المادة ومدى اعتمادها على درجة الحرارة لمادة كهرضغطية باستخدام عينة واحدة فقط. تتطلب طريقة الممانعة المحددة في المعايير الكهرضغطية لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات من 5 إلى 7 عينات بأشكال هندسية مختلفة من أجل قياس المجموعة الكاملة من ثوابت المادة للمادة الكهرضغطية. وتكمن الميزة الرئيسية لتقنية مطيافية الرنين بالموجات فوق الصوتية في إمكانية الحصول على خصائص الموتر الكاملة من عينة واحدة، مما يتجنب عدم الاتساق الناتج عن التباينات بين عينة وأخرى.

تتيح البيانات التي يتم الحصول عليها من هذه الطريقة للأشخاص محاكاة أداء الأجهزة الكهروميكانيكية وقياس تدهور الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة باستخدام طريقة العناصر المحدودة الدقيقة. أولاً، يتم لصق أنبوب متوازٍ مستطيل إلى عينة سيراميك PZT-4 على السطح السفلي لقضيب معدني باستخدام طبقة رقيقة جداً من الشمع عن طريق تسخين القضيب والعينة إلى حوالي 60 °C. بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة، يتم تركيب القضيب بإحكام داخل أسطوانة معدنية ذات قطر خارجي أكبر، بحيث يمكن صقل السطح السفلي للأسطوانة والعينة معاً لضمان استواء سطح العينة. يتم ترطيب لوح من البليكسي جلاس بمياه الصنبور، ثم يُرش مسحوق أكسيد الألومنيوم بحجم 6 micron على السطح المبلل.

ضع حامل العينة مع العينة الملتصقة به فوق لوح البلكسيجلاس، وقم بإجراء حركة دائرية لصقل سطح العينة وجعله مستوياً. بعد ذلك، اغسل لوح البلكسيجلاس وحامل العينة جيداً بماء الصنبور. عقب ذلك، رش مسحوق أكسيد الألمنيوم بقطر 3 Micron فوق لوح البلكسيجلاس المبلل وكرر عملية الصقل لتنعيم سطح العينة.

اغسل اللوح الزجاجي وحامل العينة جيداً باستخدام ماء الصنبور. ارفع العينة عن الحامل عن طريق تسخين المجموعة إلى حوالي 60 درجة Celsius لإذابة الشمع. عند الانتهاء، قم بإزالة الشمع المتبقي من سطح العينة باستخدام الأسيتون.

قم بتوصيل محول طاقة للموجات الطولية بتردد 15 ميجاهرتز ورسّام ذبذبات رقمي بجهاز إرسال واستقبال النبضات. بعد ذلك، ضع محول الطاقة على سطح العينة على طول الاتجاه X مع وضع بعض مادة الربط الشحمية بينهما. اضغط على مفتاح المؤشر في لوحة التحكم الخاصة برسّام الذبذبات الرقمي.

بعد ذلك، اضغط على زر القائمة الجانبية V bars، وأدِر مقبض الأغراض العامة لنقل خط المؤشر الأول إلى أعلى قمة لإشارة الصدى الأولى. عند هذه النقطة، اضغط على مفتاح Select، وأدِر مقبض الأغراض العامة لنقل خط المؤشر الآخر إلى القمة المقابلة في إشارة الصدى الثانية. اقرأ القيمة العددية عند الموضع المحدد بمثلث يشير للأعلى على الشاشة، والتي تمثل زمن الرحلة ذهاباً وإياباً لنبضة الموجة الطولية على طول المحور X.

قم بتوصيل محلل المعاوقة بجهاز كمبيوتر للتحكم، وقم بتشغيلهما معاً. بعد ذلك، أدخل العينة في المثبت المتصل بالمحلل وضع المجموعة بأكملها داخل غرفة درجة الحرارة. بعد إغلاق غرفة درجة الحرارة، اضغط على مفتاح Meas في لوحة محلل المعاوقة، واختر CP-D.

بعد ذلك، اضبط درجة حرارة الغرفة على 20 °C باستخدام جهاز الكمبيوتر الخاص بالتحكم. افتح برنامج الجداول البيانات واقرأ بيانات السعة الكهربائية. ثم احفظ النتائج في ملف.

بعد ذلك، قم بتغيير درجة حرارة الغرفة بالضغط على مفتاح السهم للأعلى في لوحة محلل الممانعة. كرر الخطوة السابقة لكل زيادة في درجة الحرارة، وذلك بعد أن تستقر درجة حرارة الغرفة. عند هذه النقطة، ضع العينة بين محول الطاقة المرسل والمستقبل في نظام مطيافية الموجات فوق الصوتية الرنينية، بحيث تكون نقاط التلامس عند الزوايا المتقابلة للعينة فقط.

قم بتشغيل واجهة التحكم الخاصة بنظام الرنين الديناميكي عن طريق النقر المزدوج على ملف البرنامج DRS.exe. حدد تردد البداية، وتردد النهاية، والعدد الإجمالي لنقاط البيانات المراد جمعها. قم بقياس طيف الرنين للعينة ضمن هذا النطاق الترددي في درجة حرارة الغرفة، ثم احفظ الطيف في ملف.

ضع العينة بين محولي الطاقة للإرسال والاستقبال الموجودين مسبقاً داخل الفرن، مع ضمان وجود نقاط التلامس عند الزوايا المتقابلة فقط من العينة. بعد ذلك، قم بتشغيل برنامج القياس الخاص بنظام مطيافية الرنين بالموجات فوق الصوتية وقياس ترددات الرنين للعينة. ثم احفظ النتائج في ملف.

ارفع درجة حرارة العينة بزيادة قدرها 5 درجة Celsius. كرر الخطوة السابقة حتى الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة. بالنسبة لعينة سيراميك PZT-4، فإن الثوابت المرنة C11E وC33E وC44E تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة.

بينما تكون الثوابت المرنة C12E و C13E مستقلة تقريبًا عن درجة الحرارة في النطاق من 20 إلى 120 درجة Celsius. ومن ناحية أخرى، تعتمد الثوابت الكهرضغطية E33 و E31 و E15 بشكل قوي على درجة الحرارة. وتظهر ثوابت العزل الكهربائي المقاسة وتلك المتوقعة والمحسوبة بناءً على المجموعة الكاملة من ثوابت المادة التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة توافقاً ممتازاً.

تظهر ثوابت الكهرضغطية D15 وD33 المحسوبة باستخدام مجموعة واحدة من الصيغ، والقيم المحسوبة باستخدام مجموعة أخرى من الصيغ، توافقاً جيداً أيضاً. وتؤكد هذه النتائج أن المجموعة الكاملة من ثوابت المادة التي تم الحصول عليها لعينة سيراميك PZT-4 متسقة ذاتياً بدرجة عالية في نطاق درجات الحرارة من 20 إلى 120 درجة Celsius. وتتيح تقنية RUS هذه قياس خصائص الموتر الكاملة عند درجات حرارة مرتفعة باتساق ذاتي، مما مهد الطريق للباحثين في مجال محاكاة الأجهزة لاستكشاف إمكانية التنبؤ بالأداء الفعلي للأجهزة الكهروميكانيكية، لا سيما التنبؤ بتدهور الأداء الناتج عن تولد الحرارة أثناء التشغيل.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية إجراء قياسات مطيافية الرنين بالموجات فوق الصوتية في درجات حرارة مرتفعة. يكمن السر في الحصول على مجموعة موثوقة من الثوابت في درجة حرارة الغرفة، ثم استنتاج خاصية الموتر الكاملة عند درجات الحرارة المرتفعة استناداً إلى بيانات درجة حرارة الغرفة.