Charakterisierung von Full Set Materialkonstanten und deren Temperaturabhängigkeit für piezoelektrische Materialien mit Resonanzultraschallspektroskopie

Das übergeordnete Ziel dieser Resonanz-Ultraschallspektroskopie-Methode ist es, einen vollständigen Satz von Materialkonstanten und deren Temperaturabhängigkeit für ein piezoelektrisches Material mit nur einer Probe zu messen. Die Impedanzmethode, die in den piezoelektrischen Normen des Instituts für Elektrotechnik und Elektronik definiert ist, erfordert 5 bis 7 Proben unterschiedlicher Geometrien, um den gesamten Satz der Materialkonstante für piezoelektrisches Material zu messen. Der Hauptvorteil der Resonanz-Ultraschallspektroskopie besteht darin, dass die vollen Tensoreigenschaften aus einer Probe erhalten werden können, wodurch Inkonsistenzen vermieden werden, die durch Variationen von Probe zu Probe verursacht werden.

Die mit dieser Methode gewonnenen Daten ermöglichen es den Menschen, die Leistung elektromechanischer Geräte zu simulieren und die Leistungsverschlechterung bei höheren Temperaturen mit Hilfe der Feiner-Elemente-Methode zu quantifizieren. Kleben Sie zunächst ein rechteckiges paralleles Rohr auf die PZT-4-Keramikprobe mit einer sehr dünnen Wachsschicht auf die Unterseite eines Metallstabs, indem Sie den Stab und die Probe auf etwa 60 Grad Celsius erhitzen. Setzen Sie den Stab nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur fest in einen Metallzylinder mit größerem Außendurchmesser ein, damit die Unterseite des Zylinders und die Probe zusammen poliert werden können, um die Ebenheit der Probenoberfläche zu gewährleisten. Befeuchten Sie eine Plexiglasplatte mit Leitungswasser und streuen Sie 6-Mikron-Aluminiumoxidpulver auf die nasse Oberfläche.

Platzieren Sie den Probenhalter mit der darauf geklebten Probe auf der Plexiglasplatte und machen Sie eine kreisende Bewegung, um das Probenservice flach zu schleifen. Waschen Sie dann die Plexiglasplatte und den Probenhalter gründlich mit Leitungswasser. Streuen Sie anschließend 3 Mikron Aluminiumoxidpulver auf die nasse Plexiglasplatte und wiederholen Sie den Schleifvorgang, um die Probenoberfläche zu glätten.

Waschen Sie die Glasplatte und den Probenhalter mit Leitungswasser sauber. Heben Sie die Probe vom Halter ab, indem Sie die Baugruppe auf etwa 60 Grad Celsius erhitzen, um das Wachs zu schmelzen. Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie das restliche Wachs mit Aceton von der Probenoberfläche.

Schließen Sie einen 15-Megahertz-Longitudinalwellenwandler und ein digitales Oszilloskop an einen Pulcer-Empfänger an. Platzieren Sie anschließend den Schallkopf auf der Probenoberfläche in X-Richtung mit etwas Kupplungsfett dazwischen. Drücken Sie die Schalttaste auf dem Bedienfeld des digitalen Oszilloskops.

Drücken Sie dann die Seitenmenü-Taste V-Balken und drehen Sie den Universalknopf, um eine Cursorlinie auf die höchste Spitze des ersten Echosignals zu verschieben. Drücken Sie an dieser Stelle die Select-Taste und drehen Sie den Allzweckregler, um die andere Cursorlinie auf die entsprechende Spitze im zweiten Echosignal zu verschieben. Lesen Sie an der mit einem Dreieck nach oben markierten Stelle auf dem Bildschirm den Zahlenwert ab, der die Roundtrip-Laufzeit des Longitudinalwellenpulses entlang der X-Achse darstellt.

Schließen Sie einen Impedanzanalysator an einen Steuercomputer an und schalten Sie beide ein. Legen Sie dann die Probe in die mit dem Analysator verbundene Vorrichtung ein und platzieren Sie die gesamte Baugruppe in einer Temperierkammer. Drücken Sie nach dem Schließen der Temperierkammer die Taste Messwerte auf dem Impedanzanalysatorfeld und wählen Sie CP-D.

Stellen Sie anschließend die Kammer mit dem Steuercomputer auf 20 Grad Celsius ein. Öffnen Sie die Tabellenkalkulationssoftware und lesen Sie die Kapazitätsdaten aus. Speichern Sie dann die Ergebnisse in einer Datei.

Ändern Sie anschließend die Kammertemperatur, indem Sie die Aufwärtstaste auf dem Impedanzanalysatorfeld drücken. Wiederholen Sie den vorherigen Schritt für jedes Temperaturinkrement, nachdem die Kammertemperatur stabil geworden ist. Platzieren Sie die Probe an dieser Stelle zwischen den Sende- und Empfangswandlern des Resonanz-Ultraschallspektroskopie-Systems, wobei die Kontakte nur an den gegenüberliegenden Ecken der Probe vorhanden sind.

Führen Sie die Bedienoberfläche des dynamischen Resonanzsystems aus, indem Sie auf die Softwaredatei DRS.exe doppelklicken. Legen Sie die Startfrequenz, die Stoppfrequenz und die Gesamtzahl der zu erfassenden Datenpunkte fest. Messen Sie das Resonanzspektrum der Probe in diesem Frequenzbereich bei Raumtemperatur und speichern Sie das Spektrum in einer Datei.

Platzieren Sie die Probe zwischen den Sende- und Empfangswandlern, die sich bereits im Ofen befinden, mit Kontakten nur an den gegenüberliegenden Ecken der Probe. Führen Sie anschließend die Messsoftware des Resonanz-Ultraschallspektroskopie-Systems aus und messen Sie die Resonanzfrequenzen der Probe. Speichern Sie dann die Ergebnisse in einer Datei.

Erhöhen Sie die Temperatur der Probe in einem Temperaturschritt von 5 Grad Celsius. Wiederholen Sie den vorherigen Schritt, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Für die PZT-4-Keramikprobe steigen die elastischen Konstanten C11E, C33E und C44E mit der Temperatur an.

Während die elastischen Konstanten C12E und C13E nahezu temperaturunabhängig im Bereich von 20 bis 120 Grad Celsius liegen. Auf der anderen Seite sind die piezoelektrischen Konstanten E33, E31 und E15 stark temperaturabhängig. Die gemessenen dialektrischen Konstanten und die vorhergesagten Konstanten, die auf der Grundlage des vollständigen Satzes von Materialkonstanten berechnet wurden, die mit dieser Methode erhalten wurden, zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung.

Die piezoelektrischen Konstanten D15 und D33, die mit einem Formelsatz berechnet wurden, und die Werte, die mit einem anderen Formelsatz berechnet wurden, zeigen ebenfalls eine gute Übereinstimmung. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die vollständigen eingestellten Materialkonstanten, die für die PZT-4-Keramikprobe erhalten wurden, für den Temperaturbereich von 20 bis 120 Grad Celsius in hohem Maße selbstkonsistent sind. Diese RUS-Technik ermöglicht es uns, die Eigenschaften des vollen Tensors bei erhöhten Temperaturen mit Selbstkonsistenz zu messen, was den Forschern auf dem Gebiet der Gerätesimulation den Weg ebnete, die Möglichkeit zu erforschen, die reale Leistung elektromechanischer Geräte vorherzusagen, insbesondere um die Leistungsverschlechterung bei der Erzeugung von Heizgeräten während des Betriebs vorherzusagen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Resonanz-Ultraschallspektroskopie-Messungen bei erhöhten Temperaturen durchführt. Der Schlüssel liegt darin, einen zuverlässigen Satz von Konstanten bei Raumtemperatur zu erfassen und dann die vollständige Tensoreigenschaft bei hohen Temperaturen auf der Grundlage der Raumtemperaturdaten zu verleiten.