Name: Charakterisierung von Full Set Materialkonstanten und deren Temperaturabhängigkeit für piezoelektrische Materialien mit Resonanzultraschallspektroskopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 44 s
Description: Lernen Sie die resonante Ultraschallspektroskopie zur Messung vollständiger Materialkonstanten und deren Temperaturabhängigkeit bei piezoelektrischen Materialien. Diese Methode liefert Tensor-Eigenschaften aus einer einzigen Probe für zuverlässige Gerätesimulationen.

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Diese Arbeit wurde unterstützt von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11374245), dem NIH unter Grant No. P41-EB2182, der Natural Science Foundation of Fujian Province, China (Grant No. 2013J01163) und dem Open Research Fund des State Key Laboratory of Acoustics, Chinese Academy of Science (Grant No. SKLA201306).

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<li>Zadler, B. J., Le Rousseau, J. H. L., Scales, J. A., Smith, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resonant+ultrasound+spectroscopy%3A+Theory+and+application%5BTitle%5D)+AND+%22Geophys.+J.+Int%22%5BJournal%5D)">Resonant ultrasound spectroscopy: Theory and application.</a> Geophys. J. Int. 156, 154-169 (2004).</li>
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Autoren haben nichts offenzulegen.

Die RUS hier beschriebene Technik kann den vollen Satz Materialkonstanten nur eine Probe unter Verwendung messen, die Fehler, die durch Eigenschaft Variation von Probe eliminiert, so dass Selbstkonsistenz Probe gewährleistet werden kann. Das Verfahren kann mit einem hohen Qualitätsfaktor Q, unabhängig davon, für jedes feste Material verwendet werden, wenn sie piezoelektrische sind oder nicht. Alle anderen Standardcharakterisierungstechniken erfordern mehrere Proben die vollständigen Daten zu erhalten und lassen sich nur...

Blei - Zirkonat - Titanat (PZT) piezoelektrische Keramik, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3 und seine Derivate in Ultraschallwandlern, Sensoren und Aktoren seit den 1950er Jahren weithin 1 verwendet wurden. Viele dieser elektromechanischen Vorrichtungen sind bei hohen Temperaturbereiche, beispielsweise für Raumfahrzeuge und Untergrundbohrlochmessungen verwendet. Außerdem Hochleistungsvorrichtungen, wie beispielsweise therapeutische Ultraschallwandler, piezoelektrische Transformatoren und Sonar Projektoren, oft Aufheizens während des Betriebs. Eine solche Temperatur steigt wird die Resonanzfrequenzen ändern und den Brennpunkt von Wandlern, hohe Leistungseinbußen verursachen. Hohe Intensität fokussierter Ultraschall (HIFU) Technologie, die bereits in der klinischen Praxis zur Behandlung von Tumoren eingesetzt, Ultraschallwandler verwendet aus PZT-Keramiken. Während des Betriebs wird die Temperatur dieser Wandler zu erhöhen, eine Veränderung der Materialkonstanten des PZT Resonators verursacht, die wiederum die HALLO ändernFU Mittelpunkt sowie die Ausgangsleistung 2,3. Die Verschiebung des Brennpunktes kann zu schweren unerwünschten Ergebnissen führen, dh gesunde Gewebe anstelle von Krebsgewebe zerstört wird. Auf der anderen Seite, wenn der Brennpunkt Verschiebung vorhergesagt werden kann, könnte eine elektronische Designs verwenden solche Verschiebung zu korrigieren. Daher ist die Temperaturabhängigkeit der vollständigen Satz Material Meßeigenschaften von piezoelektrischen Materialien sehr wichtig für die Entwicklung und Bewertung von vielen elektromechanische Vorrichtungen, insbesondere Hochleistungsvorrichtungen. Gepolte ferroelektrische Materialien sind die besten piezoelektrischen Materialien heute bekannt. In der Tat, fast alle piezoelektrischen Materialien derzeit im Einsatz sind ferroelektrische Materialien, darunter auch feste Lösung PZT - Keramiken und (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) Einkristalle. Das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Impedanz Resonanzmethode erfordert 5-7 Proben mit drastimatisch unterschiedliche Geometrien , um den vollen Satz Material zu charakterisieren Konstanten 4. Es ist fast unmöglich, in sich konsistente vollständigen Satz Matrix Daten unter Verwendung der IEEE Impedanzresonanzverfahren für ferroelektrische Materialien zu erhalten, da der Grad der Polarisierungs auf der Probengeometrie (Randbedingungen) hängt, während Probeneigenschaften auf der Ebene der Polarisierungs abhängen. Um Probleme durch Probe vermeiden Variationen zu probieren, sollten alle Konstanten aus einer Probe gemessen werden. Li et al. Berichteten über die erfolgreiche Messung aller Konstanten aus einer Probe bei Raumtemperatur durch eine Kombination von Impuls-Echo - Ultraschall und inverse Impedanzspektroskopie 5 verwendet wird . Leider ist diese Technik schwer bei erhöhten Temperaturen durchzuführen, da es nicht möglich ist, Ultraschallmessungen direkt im Inneren des Ofens durchzuführen. Es gibt auch keine im Handel erhältlichen Scher Wandler, die bei hohen Temperaturen arbeiten können. Darüber hinaus, dass das Kupplungs Fett gebunden transDUCER und die Probe kann bei hohen Temperaturen nicht. Im Prinzip hat die RUS - Technik die Möglichkeit , die vollständigen Satz Materialkonstanten von piezoelektrischen Materialien und deren Temperaturabhängigkeit unter Verwendung von nur einer Probe 6,7 zu bestimmen. Aber es gibt einige wichtige Schritte für eine ordnungsgemäße Durchführung der Technik RUS. Zunächst sollte der volle Satz von Tensor Eigenschaften bei Raumtemperatur genau eine Kombination von Puls-Echo und RUS Techniken bestimmt werden. Zweitens kann diese Raumtemperatur Datensatz verwendet werden, um die Resonanzfrequenzen zu prognostizieren und die gemessenen diejenigen, um die entsprechenden Modi zu identifizieren, zu entsprechen. Drittens, für jeden kleinen Zuwachs der Temperatur von Raumtemperatur auf, muss ein Spektrum Rekonstruktion gegen die gemessene Resonanzspektrum, um die vollen Satz Konstanten bei dieser neuen Temperatur aus der gemessenen Resonanzspektrum zur Durchführung abzurufen. Dann wird unter Verwendung der neuen Daten als neuer Startpunkt setzen, können wir<html> die Temperatur von einem anderen kleinen Temperaturschritt erhöhen, um die vollen Satz Konstanten bei der nächsten Temperatur zu bekommen. diesen Prozess fortsetzen wird es uns ermöglichen, die Temperaturabhängigkeit der vollständigen Satz Materialkonstanten zu erhalten. Hier wird eine PZT-4 piezokeramischer Probe wird verwendet, um das Messverfahren der RUS-Technik zu veranschaulichen. Die gepolten PZT-4 Keramik hat ∞m Symmetrie mit 10 unabhängigen Materialkonstanten: 5 elastischen Konstanten, 3 piezoelektrische Konstanten und 2 dielektrischen Konstanten. Da die Dielektrizitätskonstanten unempfindlich auf die Änderung der Resonanzfrequenzen sind, wurden sie separat unter Verwendung der gleichen Probe gemessen. Die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten geklemmt <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> und <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" /> direkt von den Kapazitätsmessungen gemessen, während die freien dielektrischen Konstanten wurdenOAD / 53461 / image005.jpg &quot;/&gt; und <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> gemessen wurden als Datenkonsistenzprüfungen bei gleichzeitig verwendet. Die Temperaturabhängigkeit der elastischen Steifigkeitskonstanten bei einem konstanten elektrischen Feld <img alt="Gleichung 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> . <img alt="Gleichung 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> . <img alt="Gleichung 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> . <img alt="Gleichung 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> und <img alt="Gleichung 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> Und piezoelektrische Stress Konstanten E 15, E 31 und E 33 wurden von der RUS - Technik unter Verwendung der gleichen Probe bestimmt.

<table><tbody><tr><td>PZT-4</td><td>TRS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Paraffin</td><td>MTI Corporation</td><td>8002-74-2</td><td></td></tr><tr><td>leitfähige Silberfarbe</td><td>MG Chemicals</td><td>842-20G</td><td></td></tr><tr><td>Al2O3 Pulver</td><td>MTI Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kupplungsfett</td><td>Panametrics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

charakterisierung von full set materialkonstanten und deren temperaturabhängigkeit für piezoelektrische materialien mit resonanzultraschallspektroskopie

Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy

Während des Betriebs des Hochleistungselektromechanischen Vorrichtungen, ist ein Temperaturanstieg unvermeidbar aufgrund von mechanischen und elektrischen Verluste, die Verschlechterung der Leistung der Vorrichtung zu verursachen. Um solche Verschlechterungen unter Verwendung von Computersimulationen, Vollmatrix Materialeigenschaften bei hohen Temperaturen zu bewerten sind als Eingänge benötigt. Es ist extrem schwierig, solche Daten für ferroelektrische Materialien zu messen, die aufgrund ihrer starken anisotropen Natur und Eigenschaft Variation zwischen Proben verschiedener Geometrien. Da der Grad der Depolarisation Randbedingung abhängig ist, Daten von der IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Impedanz Resonanztechnik erhalten, die mehrere Proben mit drastisch unterschiedlichen Geometrien erfordert, fehlt in der Regel Selbstkonsistenz. Die Resonanzultraschallspektroskopie (RUS) Technik erlaubt es den vollen Satz Materialkonstanten nur eine Probe mit gemessen werden, die durch Probe verursachte Fehler beseitigen kann Variat zu probierenIon. Eine detaillierte RUS Verfahren wird hier gezeigt, eine Blei-Zirkonat-Titanat (PZT-4) piezokeramischer Probe verwendet wird. Im Beispiel wurde der komplette Satz von Materialkonstanten von Raumtemperatur bis 120 ° C gemessen. Gemessen freien dielektrischen Konstanten <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> und <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> waren im Vergleich mit den berechneten Angaben in den gemessenen vollen Satz Daten basieren, und piezoelektrischen Konstanten d 15 und d 33 auch verschiedene Formeln berechnet wurden. Ausgezeichnete Vereinbarung wurde im gesamten Temperaturbereich gefunden, der die Selbstkonsistenz des Datensatzes durch den RUS erhalten bestätigt.

Der LM algorism in der Inversion verwendet wird, ein lokales Minimum finder. Daher sind die Anfangswerte von elastischen Steifigkeitskonstanten <img alt="Gleichung 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> . <img alt="Gleichung 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> . <img alt="Gleichung 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> . <img alt="Gleichung 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> , und <img alt="Gleichung 10" src="/files/ftp_upload/53461/image01...

Dieses Protokoll beschreibt das Verfahren zur Messung der Temperaturabhängigkeit der vollständig eingestellten Materialkonstanten von piezoelektrischen Materialien mittels resonanter Ultraschallspektroskopie (RUS).

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

During the operation of high power electromechanical devices, a temperature rise is unavoidable due to mechanical and electrical losses, causing the ...

Das übergeordnete Ziel dieser Methode der Resonanz-Ultraschall-Spektroskopie besteht darin, einen vollständigen Satz von Materialkonstanten und deren Temperaturabhängigkeit für ein piezoelektrisches Material unter Verwendung nur einer einzigen Probe zu bestimmen. Die in den piezoelektrischen Normen des Institute of Electrical and Electronic Engineers definierte Impedanzmethode erfordert 5 bis 7 Proben unterschiedlicher Geometrie, um den vollständigen Satz an Materialkonstanten für ein piezoelektrisches Material zu messen. Der Hauptvorteil der Resonanz-Ultraschall-Spektroskopie-Technik liegt darin, dass die vollständigen Tensoreigenschaften aus einer einzigen Probe ermittelt werden können, wodurch Unstimmigkeiten aufgrund von Unterschieden zwischen verschiedenen Proben vermieden werden.Mithilfe der mit dieser Methode erfassten Daten können die Leistung von elektromechanischen Bauteilen simuliert und die Leistungsabnahme bei höheren Temperaturen mit der Finite-Elemente-Methode quantifiziert werden. Zuerst wird ein rechteckiges Parallelrohr mithilfe einer sehr dünnen Wachsschicht, durch Erhitzen des Stabs und der Probe auf etwa 60 Grad Celsius, an die Unterseite einer PZT-4-Keramikprobe geklebt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird der Stab fest in einen Metallzylinder mit größerem Außendurchmesser eingesetzt, sodass die Unterseite des Zylinders und die Probe gemeinsam poliert werden können, um die Ebenheit der Probenoberfläche sicherzustellen. Eine Plexiglasscheibe wird mit Leitungswasser benetzt und mit 6-Mikrometer-Aluminiumoxid-Pulver bestreut.Platzieren Sie den Probenhalter mit der darauf geklebten Probe auf die Plexiglasscheibe und führen Sie eine kreisförmige Bewegung aus, um die Probenoberfläche eben zu schleifen. Anschließend spülen Sie die Plexiglasscheibe und den Probenhalter gründlich mit Leitungswasser ab. Danach streuen Sie 3-Mikron-Aluminiumoxid-Pulver auf die nasse Plexiglasscheibe und wiederholen den Schleifvorgang, um die Probenoberfläche zu glätten.Reinigen Sie die Glasplatte und die Probenhalterung mit Leitungswasser. Heben Sie die Probe vom Halter ab, indem Sie die Baugruppe auf etwa 60 Grad Celsius erwärmen, um das Wachs schmelzen zu lassen. Entfernen Sie nach Beendigung des Vorgangs das verbleibende Wachs von der Probenoberfläche mit Aceton.Schließen Sie einen 15-Megahertz-Längswellentransducer und ein digitales Oszilloskop an einen Pulser-Empfänger an. Platzieren Sie anschließend den Transducer mit etwas Koppelcreme dazwischen auf der Probenoberfläche entlang der X-Richtung. Drücken Sie die Cursor-Taste auf dem Bedienfeld des digitalen Oszilloskops.Danach drücken Sie die Seitenmenütaste V-Leisten und drehen den Allzweckknopf, um eine Cursorlinie zum höchsten Punkt des ersten Echosignals zu bewegen. An dieser Stelle drücken Sie die Taste „Select“ und drehen den Allzweckknopf, um die andere Cursorlinie zum entsprechenden Peak im zweiten Echosignal zu bewegen. Lesen Sie den numerischen Wert an der Stelle ab, die auf dem Bildschirm mit einem nach oben zeigenden Dreieck markiert ist. Dieser Wert entspricht der Laufzeit hin und zurück der longitudinalen Wellenimpulse entlang der X-Achse.Verbinden Sie einen Impedanzanalysator mit einem Steuerrechner und schalten Sie beide ein. Danach setzen Sie die Probe in die mit dem Analysator verbundene Halterung ein und stellen die gesamte Anordnung in eine Temperaturkammer. Nach dem Schließen der Temperaturkammer drücken Sie die Taste Meas auf dem Bedienfeld des Impedanzanalysators und wählen CP-D aus.Als Nächstes stellen Sie die Kammer auf 20 Grad Celsius mithilfe des Steuerungscomputers ein. Öffnen Sie die Tabellenkalkulationssoftware und lesen Sie die Kapazitätsdaten ab. Speichern Sie anschließend die Ergebnisse in einer Datei.Danach ändern Sie die Kammertemperatur, indem Sie die Auf-Taste am Bedienfeld des Impedanzanalysators drücken. Wiederholen Sie den vorherigen Schritt für jeden Temperaturschritt, nachdem die Kammertemperatur stabil geworden ist. Platzieren Sie nun die Probe zwischen den sendenden und empfangenden Wandlern des Resonanz-Ultraschallspektroskopiesystems, wobei die Kontakte nur an den gegenüberliegenden Ecken der Probe liegen dürfen.Starten Sie die Steuerschnittstelle des dynamischen Resonanzsystems, indem Sie zweimal auf die Softwaredatei DRS.exe klicken. Stellen Sie die Startfrequenz, die Endfrequenz und die Gesamtanzahl der zu erfassenden Datenpunkte ein. 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, wobei die Kontakte nur an gegenüberliegenden Ecken der Probe anliegen. Anschließend führen Sie die Messsoftware des Resonanz-Ultraschall-Spektroskopiesystems aus und messen die Resonanzfrequenzen der Probe. Danach speichern Sie die Ergebnisse in einer Datei.Erhöhen Sie die Temperatur der Probe in Temperaturschritten von 5 Grad Celsius. Wiederholen Sie den vorherigen Schritt, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Bei der PZT-4-Keramikprobe nehmen die elastischen Konstanten C11E, C33E und C44E mit steigender Temperatur zu.Während die elastischen Konstanten C12E und C13E im Bereich von 20 bis 120 Grad Celsius nahezu unabhängig von der Temperatur sind, sind die piezoelektrischen Konstanten E33, E31 und E15 stark temperaturabhängig. Die gemessenen Dielektrizitätskonstanten und die auf der Grundlage des vollständigen Satzes von Materialkonstanten berechneten vorhergesagten Werte zeigen eine hervorragende Übereinstimmung.Die piezoelektrischen Konstanten D15 und D33, die mit einem Satz von Formeln berechnet wurden, zeigen ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit den Werten, die mithilfe eines anderen Formelsets ermittelt wurden. Diese Ergebnisse bestätigen, dass der vollständige Satz an Materialkonstanten, der für die PZT-4-Keramikprobe erhalten wurde, im Temperaturbereich von 20 bis 120 Grad Celsius eine hohe Selbstkonsistenz aufweist. Diese RUS-Methode ermöglicht es uns, die vollständigen Tensoreigenschaften bei erhöhten Temperaturen mit Selbstkonsistenz zu messen, was für Forscher auf dem Gebiet der Gerätesimulation den Weg ebnet, die Möglichkeit der Vorhersage der realen Leistungsfähigkeit elektromechanischer Bauelemente zu untersuchen, insbesondere um die Leistungsabnahme bei Wärmeentwicklung während des Betriebs vorherzusagen.Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Resonanz-Ultraschall-Spektroskiemessungen bei erhöhten Temperaturen durchführt. Der Schlüssel liegt darin, zunächst bei Raumtemperatur einen zuverlässigen Satz von Konstanten zu ermitteln und anschließend auf Basis dieser Daten bei Raumtemperatur die vollständigen Tensor-Eigenschaften bei hohen Temperaturen zu ermitteln.

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