Name: Caracterización del conjunto completo constantes del material y su dependencia de la temperatura de los materiales piezoeléctricos El uso de ultrasonido Espectroscopía de Resonancia (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 44 s
Description: Aprende a medir el conjunto completo de constantes materiales y su dependencia térmica en materiales piezoeléctricos mediante espectroscopía de resonancia ultrasónica. Esta técnica utiliza una sola muestra para obtener propiedades tensoriales completas, reduciendo la variabilidad entre muestras y mejorando la fiabilidad de los datos para simulación de dispositivos.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención Nº 11374245), los NIH bajo la Subvención Nº P41-EB2182, la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Fujian, China (Subvención Nº 2013J01163), y el Fondo de Investigación Abierta del Laboratorio Estatal Clave de Acústica, Academia China de Ciencias (Subvención No. SKLA201306).

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Los autores no tienen nada que revelar.

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 difíciles de ...

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<html> 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 <img alt="Ecuación 3" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> y <img alt="Ecuación 4" src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" /> se midieron directamente de las mediciones de capacitancia, mientras que las constantes dieléctricas gratuitasOAD / 53461 / image005.jpg &quot;/&gt; y <img alt="Ecuación 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> 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 <img alt="Ecuación 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="Ecuación 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="Ecuación 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="Ecuación 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> y <img alt="Ecuación 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> , Y las constantes de estrés piezoeléctricos E 15, e 31 y 33 e se determinaron por la técnica de RUS utilizando la misma muestra.

<table><tbody><tr><td>PZT-4</td><td>TRS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>parafina</td><td>MTI Corporation</td><td>8002-74-2</td><td></td></tr><tr><td>pintura de plata conductora</td><td>MG Chemicals</td><td>842-20G</td><td></td></tr><tr><td>Al2O3 Polvo</td><td>MTI Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>grasa de acoplamiento</td><td>Panametrics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

caracterización del conjunto completo constantes del material y su dependencia de la temperatura de los materiales piezoeléctricos el uso de ultrasonido espectroscopía de resonancia

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

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 <img alt="Ecuación 1" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> y <img alt="Ecuación 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> 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.

El algoritmo LM utilizados en la inversión es un buscador de mínimo local. Por lo tanto, los valores iniciales de las constantes de rigidez elástica <img alt="Ecuación 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="Ecuación 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="Ecuación 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="Ecuación 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> y <img alt="Ecuación 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jp...

Este protocolo describe el procedimiento para medir la dependencia de la temperatura de las constantes de material completas de los materiales piezoeléctricos utilizando espectroscopia de ultrasonido resonante (RUS).

Caracterización del conjunto completo constantes del material y su dependencia de la temperatura de los materiales piezoeléctricos El uso de ultrasonido Espectroscopía de Resonancia

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

El objetivo general de este método de espectroscopía ultrasónica por resonancia es medir un conjunto completo de constantes del material y su dependencia con la temperatura para un material piezoeléctrico, utilizando solamente una muestra. El Método de Impedancia definido en las normas piezoeléctricas del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos requiere entre 5 y 7 muestras de diferentes geometrías para medir el conjunto completo de constantes del material en un material piezoeléctrico. La principal ventaja de la técnica de espectroscopía ultrasónica por resonancia es que se pueden obtener las propiedades tensoriales completas a partir de una sola muestra, evitando las inconsistencias causadas por las variaciones entre muestras.Los datos obtenidos mediante este método permiten a las personas simular el rendimiento de dispositivos electromecánicos y cuantificar la degradación del rendimiento a temperaturas más altas utilizando el método de elementos finitos. En primer lugar, pegue un tubo rectangular paralelo a una muestra de cerámica PZT-4 a la superficie inferior de una varilla metálica utilizando una capa muy delgada de cera, calentando la varilla y la muestra hasta aproximadamente 60 grados Celsius. Después de enfriar a temperatura ambiente, ajuste firmemente la varilla dentro de un cilindro metálico con un diámetro exterior mayor, de modo que la superficie inferior del cilindro y la muestra puedan pulirse juntas para garantizar la planitud de la superficie de la muestra. Humedezca una placa de plexiglás con agua del grifo y espolvoree polvo de óxido de aluminio de 6 micrones sobre la superficie húmeda.Coloque el portamuestras con la muestra pegada sobre la placa de plexiglás y realice un movimiento circular para pulir la superficie de la muestra. Luego, lave cuidadosamente con agua del grifo la placa de plexiglás y el portamuestras. A continuación, espolvoree polvo de óxido de aluminio de 3 Micron sobre la placa de plexiglás húmeda y repita la operación de pulido para alisar la superficie de la muestra.Lave la placa de vidrio y el portamuestras con agua corriente. Levante la muestra del portamuestras calentando el conjunto a aproximadamente 60 grados Celsius para derretir la cera. Una vez finalizado, elimine la cera restante de la superficie de la muestra con acetona.Conecte un transductor de onda longitudinal de 15 megahercios y un osciloscopio digital a un receptor de impulsos. A continuación, coloque el transductor sobre la superficie de la muestra en la dirección X, con algo de grasa acoplante entre ambos. Presione la tecla de cursor en el panel de control del osciloscopio digital.Luego, presione el botón del menú lateral con barras V y gire el mando de uso general para mover una línea de cursor al pico más alto de la primera señal de eco. En este punto, presione la tecla Select y gire el mando de uso general para mover la otra línea de cursor al pico correspondiente en la segunda señal de eco. Lea el valor numérico en el lugar marcado con un triángulo hacia arriba en la pantalla, que es el tiempo de ida y vuelta del pulso de onda longitudinal a lo largo del eje X.Conecte un analizador de impedancia a una computadora de control y encienda ambos dispositivos. Luego, inserte la muestra en el accesorio conectado al analizador y coloque todo el conjunto dentro de una cámara de temperatura. Después de cerrar la cámara de temperatura, presione la tecla Meas en el panel del analizador de impedancia y seleccione CP-D.A continuación, ajuste la cámara a 20 grados Celsius utilizando el ordenador de control. Abra el software de hoja de cálculo y lea los datos de capacitancia. Luego, guarde los resultados en un archivo.A continuación, cambie la temperatura de la cámara presionando la tecla de subida en el panel del analizador de impedancia. Repita el paso anterior para cada incremento de temperatura, una vez que la temperatura de la cámara se haya estabilizado. En este punto, coloque la muestra entre los transductores transmisor y receptor del sistema de espectroscopía ultrasónica de resonancia, con contacto únicamente en las esquinas opuestas de la muestra.Ejecute la interfaz de control del sistema de resonancia dinámica haciendo doble clic en el archivo de software DRS.exe. Establezca la frecuencia inicial, la frecuencia final y el número total de puntos de datos que se recopilarán. Mida el espectro de resonancia de la muestra en este rango de frecuencias a temperatura ambiente y guarde el espectro en un archivo.Coloque la muestra entre los transductores transmisor y receptor que ya están en el horno, con contactos únicamente en las esquinas opuestas de la muestra. A continuación, ejecute el software de medición del sistema de espectroscopía ultrasónica de resonancia y mida las frecuencias de resonancia de la muestra. Luego, guarde los resultados en un archivo.Aumente la temperatura de la muestra con un incremento térmico de 5 grados Celsius. Repita el paso anterior hasta alcanzar la temperatura deseada. Para la muestra de cerámica PZT-4, las constantes elásticas C11E, C33E y C44E aumentan con la temperatura.Aunque las constantes elásticas C12E y C13E son casi independientes de la temperatura en el rango de 20 a 120 grados Celsius. Por otro lado, las constantes piezoeléctricas E33, E31 y E15 dependen fuertemente de la temperatura. Las constantes dieléctricas medidas y las predichas calculadas a partir del conjunto completo de constantes del material obtenidas mediante este método muestran un excelente acuerdo.Las constantes piezoeléctricas D15 y D33 calculadas utilizando un conjunto de fórmulas y los valores calculados usando otro conjunto de fórmulas también muestran una buena concordancia. Estos resultados confirman que el conjunto completo de constantes del material obtenido para la muestra de cerámica PZT-4 es altamente autoconsistente en el rango de temperatura de 20 a 120 grados Celsius. Esta técnica RUS nos permite medir las propiedades del tensor completo a temperaturas elevadas con autoconsistencia, lo que allanó el camino para que los investigadores en el campo de la simulación de dispositivos exploraran la posibilidad de predecir el rendimiento real de dispositivos electromecánicos, particularmente para predecir la degradación del rendimiento con la generación de calor durante el funcionamiento.Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo realizar mediciones de espectroscopía ultrasónica por resonancia a temperaturas elevadas. La clave consiste en obtener un conjunto confiable de constantes a temperatura ambiente y luego derivar la propiedad del tensor completo a altas temperaturas basándose en los datos obtenidos a temperatura ambiente.

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