Name: Caractérisation des matériaux Ensemble complet Constantes et leur dépendance de la température pour piézoélectriques matériaux utilisant Resonant Ultrasound Spectroscopy (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 44 s
Description: Découvrez la spectroscopie par ultrasons résonants pour mesurer les constantes matérielles complètes des matériaux piézoélectriques et leur dépendance thermique à partir d'un seul échantillon. Cette méthode améliore la fiabilité des données pour la simulation de dispositifs électromécaniques.

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</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

La technique RUS décrit ici peut mesurer les constantes matérielles de jeu complet en utilisant un seul échantillon, ce qui élimine les erreurs causées par la propriété variation d&#39;un échantillon à de telle sorte que l&#39;auto-cohérence peut être garantie. Le procédé peut être utilisé pour tout matériau solide avec un facteur Q de haute qualité, peu importe si elles sont piézoélectriques ou non. Toutes les autres techniques de caractérisation classiques nécessitent plusieurs échantillons pour obtenir l&#39;ensemble...

Titanate de plomb zirconate (PZT) , de la céramique piézo - électrique (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3 et ses dérivés ont été largement utilisés dans les transducteurs à ultrasons, des capteurs et des actionneurs 1 depuis les années 1950. Beaucoup de ces dispositifs électromécaniques sont utilisés à des plages de températures élevées, comme pour les véhicules spatiaux et souterraines des puits. En outre, les dispositifs de forte puissance, tels que des transducteurs à ultrasons thérapeutiques, les transformateurs piézo-électriques et des projecteurs sonar, souvent la chaleur pendant le fonctionnement. Ces augmentations de température vont changer les fréquences de résonance et le point focal de transducteurs, provoquant une grave dégradation des performances. Haute intensité ultrasons focalisés (HIFU) la technologie, déjà utilisée en pratique clinique pour le traitement des tumeurs, utilise des transducteurs à ultrasons de la céramique PZT. Pendant le fonctionnement, la température de ces capteurs augmente, ce qui provoque une modification des constantes matérielles du résonateur PZT, qui à son tour modifiera la HIFU point focal, ainsi que le 2,3 de puissance de sortie. Le déplacement du point focal peut conduire à des résultats indésirables graves, à savoir, les tissus sains étant détruits au lieu de tissus cancéreux. D&#39;autre part, si le changement de point focal peut être prédit, on pourrait utiliser des modèles électroniques pour corriger tel changement. Par conséquent, la mesure de la dépendance de la température de l&#39;ensemble des propriétés complètes matérielles de matériaux piézoélectriques est très important pour la conception et l&#39;évaluation de nombreux appareils électromécaniques, en particulier des dispositifs de haute puissance. matériaux ferroélectriques polarisés sont les meilleurs matériaux piézoélectriques connus aujourd&#39;hui. En fait, presque tous les matériaux piézoélectriques actuellement utilisés sont des matériaux ferroélectriques, y compris solution solide céramiques PZT et (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) monocristaux. L&#39;IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) méthode de résonance de l&#39;impédance nécessite 5-7 échantillons avec Drastiquement différentes géométries afin de caractériser le matériau ensemble complet constantes 4. Il est presque impossible d&#39;obtenir des données de la matrice de jeu complet auto-cohérentes en utilisant la méthode de résonance de l&#39;impédance IEEE pour les matériaux ferroélectriques parce que le degré de polarisation dépend de l&#39;échantillon géométrie (conditions aux limites), tandis que les propriétés de l&#39;échantillon dépendent du niveau de polarisation. Pour éviter les problèmes causés par un échantillon à des variations, toutes les constantes doivent être mesurées à partir d&#39;un échantillon. Li et al. , Rapporte la mesure réussie de toutes les constantes d&#39;un échantillon à température ambiante en utilisant une combinaison de spectroscopie d&#39;écho d&#39;impulsion à ultrasons et l&#39; impédance inverse 5. Malheureusement, cette technique est difficile à effectuer à des températures élevées, car il est impossible d&#39;effectuer des mesures ultrasoniques directement à l&#39;intérieur du four. Il existe également des capteurs sans cisaillement disponibles dans le commerce qui peuvent fonctionner à des températures élevées. En outre, la graisse de couplage qui lie la transducteur et l&#39;échantillon ne peut pas fonctionner à des températures élevées. En principe, la technique RUS a la capacité de déterminer les constantes de matériau ensemble complet de matériaux piézoélectriques et leur dépendance à l&#39; égard de la température à l&#39; aide d&#39; un seul échantillon 6,7. Mais il y a plusieurs étapes essentielles pour la mise en œuvre correcte de la technique RUS. Tout d&#39;abord, l&#39;ensemble des propriétés de tenseur à la température ambiante doit être déterminée avec précision en utilisant une combinaison d&#39;impulsions d&#39;écho et techniques RUS. Deuxièmement, cette température ambiante ensemble de données peut être utilisé pour prédire les fréquences de résonance et pour correspondre à celles mesurées dans le but d&#39;identifier les modes correspondants. Troisièmement, pour chaque petite augmentation de la température de la température ambiante jusqu&#39;à, il faut effectuer la reconstruction du spectre contre le spectre de résonance mesurée afin de récupérer les constantes de jeu complet à cette nouvelle température à partir du spectre de résonance mesurée. Puis, en utilisant les nouvelles données définies comme le nouveau point de départ, nous pouvons<html> augmenter la température par une autre petite étape de température pour obtenir les constantes de jeu complet à la température suivante. Poursuivant ce processus nous permettra d&#39;obtenir la dépendance en température des constantes pleines de matériaux de jeu. Ici, un échantillon piézocéramique PZT-4 est utilisée pour illustrer la méthode de mesure de la technique RUS. Le PZT-4 polarisé en céramique présente une symétrie ∞m avec 10 constantes indépendantes de matériau: 5 constantes élastiques, 3 constantes piézoélectriques et 2 des constantes diélectriques. Du fait que les constantes diélectriques ne sont pas sensibles à la variation des fréquences de résonance, ils ont été mesurés séparément à l&#39;aide du même échantillon. La dépendance en température des constantes diélectriques pincés <img alt="l&#39;équation 3" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> et <img alt="l&#39;équation 4" src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" /> ont été mesurées directement à partir des mesures de capacité, alors que les constantes diélectriques libresoad / 53461 / image005.jpg &quot;/&gt; et <img alt="équation 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> mesurée en même temps, ont été utilisés comme des contrôles de cohérence des données. La dépendance en température des constantes de raideur élastique à un champ électrique constant <img alt="L&#39;équation 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="L&#39;équation 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="L&#39;équation 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="L&#39;équation 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> et <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> Et des constantes de contrainte piézo - électriques E 15, E 31 et E 33 ont été déterminées par la technique RUS en utilisant le même échantillon.

<table><tbody><tr><td>PZT-4</td><td>TRS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>paraffine</td><td>MTI Corporation</td><td>8002-74-2</td><td></td></tr><tr><td>peinture argentée conductrice</td><td>MG Chemicals</td><td>842-20G</td><td></td></tr><tr><td>Al2O3 Poudre</td><td>MTI Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>graisse d’accouplement</td><td>Panametrics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

caractérisation des matériaux ensemble complet constantes et leur dépendance de la température pour piézoélectriques matériaux utilisant resonant ultrasound spectroscopy

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

Pendant le fonctionnement de dispositifs électromécaniques de haute puissance, une élévation de température est inévitable en raison des pertes mécaniques et électriques, ce qui provoque la dégradation des performances du dispositif. Afin d&#39;évaluer ces dégradations à l&#39;aide de simulations informatiques, pleines propriétés des matériaux de matrice à des températures élevées sont nécessaires comme entrées. Il est extrêmement difficile de mesurer ces données pour les matériaux ferroélectriques en raison de leur forte anisotrope la nature et la propriété variation entre les échantillons de différentes géométries. Parce que le degré de dépolarisation est des conditions aux limites dépendantes, les données obtenues par l&#39;IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) technique de résonance de l&#39;impédance, ce qui nécessite plusieurs échantillons avec radicalement différentes géométries, manquent souvent d&#39;auto-cohérence. La spectroscopie de résonance à ultrasons (RUS) technique permet aux constantes pleines de matériaux de jeu à être mesurées en utilisant un seul échantillon, ce qui permet d&#39;éliminer les erreurs causées par échantillon à Variat échantillonnerion. Une procédure détaillée RUS est démontré ici en utilisant un titanate de zirconate de plomb (PZT-4) Extrait piézocéramique. Dans l&#39;exemple, l&#39;ensemble complet des constantes de matériau a été mesurée à partir de la température ambiante à 120 ° C. constantes diélectriques libres mesurées <img alt="L&#39;équation 1" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> et <img alt="équation 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> ont été comparés à ceux calculés sur la base des données complètes de réglage mesurées, et les constantes piézoélectriques d 15 et d 33 ont également été calculées en utilisant différentes formules. Excellente accord a été trouvé dans l&#39;ensemble de la gamme de températures, qui ont confirmé l&#39;auto-cohérence de l&#39;ensemble des données obtenues par le RUS.

La algorism LM utilisée dans l&#39;inversion est un détecteur de minimum local. Par conséquent, les valeurs initiales des constantes de raideur élastique <img alt="L&#39;équation 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="L&#39;équation 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="L&#39;équation 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="L&#39;équation 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> , et <img alt="Equation 10" src="/fi...

Ce protocole décrit la procédure de mesure de la dépendance à la température des constantes de matériau d’ensemble complet des matériaux piézoélectriques à l’aide de la spectroscopie par ultrasons résonants (RUS).

Caractérisation des matériaux Ensemble complet Constantes et leur dépendance de la température pour piézoélectriques matériaux utilisant Resonant Ultrasound Spectroscopy

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

L'objectif général de cette méthode de spectroscopie ultrasonore par résonance est de mesurer un ensemble complet de constantes de matériau et de leur dépendance en température pour un matériau piézoélectrique en utilisant un seul échantillon. La méthode d'impédance définie dans les normes piézoélectriques de l'Institute of Electrical and Electronic Engineers nécessite 5 à 7 échantillons de géométries différentes afin de mesurer l'ensemble complet des constantes de matériau pour un matériau piézoélectrique. Le principal avantage de la technique de spectroscopie ultrasonore par résonance est que les propriétés tensorielles complètes peuvent être obtenues à partir d'un seul échantillon, évitant ainsi les incohérences dues aux variations entre échantillons.Les données obtenues grâce à cette méthode permettent de simuler le comportement de dispositifs électromécaniques et de quantifier la dégradation des performances à des températures plus élevées à l'aide de la méthode des éléments finis. Commencez par coller un tube parallélépipédique rectangulaire à un échantillon en céramique PZT-4 sur la surface inférieure d'une tige métallique à l'aide d'une couche très fine de cire, en chauffan

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