אפיון מלא סט חומר קבועים תלות בטמפרטורה שלהם עבור חומרים פייזו באמצעות ספקטרוסקופיית תהודה אולטראסאונד

המטרה הכללית של שיטת הספקטרוסקופיה אולטרסונית של תהודה זו, היא למדוד סט מלא של קבועי חומר ואת תלותם בטמפרטורה עבור חומר פיאזואלקטרי באמצעות דגימה אחת בלבד. שיטת העכבה (Impedance Method), כפי שהוגדרה בתקני הפיאזואלקטריות של מכון מהנדסי החשמל והאלקטרוניקה (IEEE), דורשת בין 5 ל-7 דגימות בגיאומטריות שונות כדי למדוד את הסט המלא של קבועי החומר עבור חומר פיאזואלקטרי. היתרון המרכזי של טכניקת הספקטרוסקופיה אולטרסונית של תהודה הוא שניתן להפיק את תכונות הטנזור המלאות מדגימה אחת, ובכך להימנע מחוסר עקביות הנגרם מהבדלים בין דגימה לדגימה.

נתונים שנרכשו בשיטה זו מאפשרים לדמות את הביצועים של התקנים אלקטרומכניים ולכמת את ירידת הביצועים בטמפרטורות גבוהות יותר באמצעות שיטת האלמנטים הסופיות. ראשית, הדביקו צינור מקבילי מלבני לדגימת קרמיקה מסוג PZT-4 אל פני השטח התחתונים של מוט מתכת באמצעות שכבה דקה מאוד של שעווה, על ידי חימום המוט והדגימה לכ-60 °C. לאחר הקירור לטמפרטורת החדר, הכניסו את המוט באופן הדוק לתוך גליל מתכת בעל קוטר חיצוני גדול יותר, כך שניתן יהיה להשחיז יחד את פני השטח התחתונים של הגליל והדגימה כדי להבטיח את פילוס פני השטח של הדגימה. הרטיבו לוח פלקסיגלס במי ברז, ופזרו אבקת אלומי늄 אוקסיד בגודל 6 micron על פני השטח הרטובים.

הניחו את מחזיק הדגימה, כשהדגימה מודבקת אליו, על לוח הפלקסיגלס, ובצעו תנועה מעגלית כדי לשייף את פני השטח של הדגימה עד להשטחה. לאחר מכן, שטפו היטב את לוח הפלקסיגלס ואת מחזיק הדגימה במי ברז. לאחר מכן, פזרו אבקת אלומינה בגודל 3 Micron על לוח הפלקסיגלס הרטוב וחזרו על פעולת השייף כדי להחליק את פני השטח של הדגימה.

שטפו את לוח הזכוכית ואת מחזיק הדגימה במים מהברז עד לניקיון. הרימו את הדגימה ממחזיק הדגימה על ידי חימום המכלול לכ-60 °C כדי להמיס את השמאע.

חברו ממיר גלים ארוכיים בעל תדר של 15 megahertz ואוסצילוסקופ דיגיטלי למקלט-משדר (pulser receiver). לאחר מכן, הניחו את הממיר על פני השטח של הדגימה לאורך ציר X עם מעט גריס צימוד ביניהם. לחצו על מקש הסמן (curser) בלוח הבקרה של האוסצילוסקופ הדיגיטלי.

לאחר מכן, לחצו על כפתור התפריט הצדדי V bars, וסובבו את הכפתור הרב-תכליתי כדי להזיז קו סמן אחד לשיא הגבוה ביותר של אות ההד הראשון. בנקודה זו, לחצו על מקש Select, וסובבו את הכפתור הרב-תכליתי כדי להזיז את קו הסמן השני לשיא התואם באות ההד השני. קראו את הערך המספרי במיקום המסומן במשולש הפונה כלפי מעלה על המסך, המהווה את זמן הטיסה הפיסוקי (roundtrip time of flight) של פולס הגל האורכי לאורך ציר X.

חבר אנלייזר עכבה למחשב בקרה, והפעל את שניהם. לאחר מכן, הכנס את הדגימה למתאם המחובר לאנלייזר והנח את כל המערכת בתוך תא טמפרטורה. לאחר סגירת תא הטמפרטורה, לחץ על מקש Meas בלוח הבקרה של אנלייזר העכבה, ובחר CP-D.

בשלב הבא, הגדירו את התא ל-20 degrees Celsius, באמצעות מחשב הבקרה. פתחו את תוכנת הגיליונות וקראו את נתוני הקיבוליות. לאחר מכן, שמרו את התוצאות בתוך קובץ.

לאחר מכן, שנו את טמפרטורת התא על ידי לחיצה על מקש החץ למעלה בפאנל של מנתח העכבה. חזרו על השלב הקודם עבור כל עלייה בטמפרטורה, לאחר שטמפרטורת התא תתייצב. בנקודה זו, מקמו את הדגימה בין המתמרים המשדרים והקולטים של מערכת הספקטרוסקופיה של אולטרסאונד רזוננסי, כאשר המגעים נמצאים רק בפינות הנגדיות של הדגימה.

הפעילו את ממשק הבקרה של מערכת התהודה הדינמית על ידי לחיצה כפולה על קובץ התוכנה DRS.exe. הגדירו את תדר ההתחלה, תדר הסיום ואת המספר הכולל של נקודות הנתונים שיש לאסוף. מדדו את ספקטרום התהודה של הדגימה בטווח תדרים זה בטמפרטורת החדר, ושמרו את הספקטרום לקובץ.

הניחו את הדגימה בין המתמרים המשדרים והמקבלים שנמצאים כבר בתוך התנור, כך שהמגעים יהיו רק בפינות הנגדיות של הדגימה. לאחר מכן, הפעילו את תוכנת המדידה של מערכת הספקטרוסקופיית אולטרסאונד תהודה ומדדו את תדרי התהודה של הדגימה. לאחר מכן, שמרו את התוצאות לקובץ.

העלה את טמפרטורת הדגימה במדרגה של 5 מעלות צלזיוס. חזור על השלב הקודם עד להגעה לטמפרטורה הרצויה. עבור דגימת קרמיקת ה-PZT-4, הקבועים האלסטיים C11E, C33E ו-C44E עולים עם הטמפרטורה.

בעוד שהקבועים האלסטיים C12E ו-C13E הם כמעט בלתי תלויים בטמפרטורה בטווח של 20 עד 120 מעלות צלזיוס, הקבועים пьеזואלקטריים E33, E31 ו-E15 תלויים בטמפרטורה במידה ניכרת. קבועי הדיאלקטריות שנמדדו ואלו שחוזו על בסיס המערך המלא של קבועי החומר שהתקבלו בשיטה זו מראים התאמה מצוינת.

הקבועים הפ piezoelectric D15 ו-D33 שחושבו באמצעות סט נוסחאות אחד, והערכים שחושבו באמצעות סט נוסחאות אחר, מראים גם הם התאמה טובה. תוצאות אלו מאשרות כי סט הקבועים החומריים המלא שהתקבל עבור דגימת קרמיקת PZT-4 הוא עקבי מאוד עבור טווח הטמפרטורות שבין 20 ל-120 מעלות צלזיוס. טכניקת RUS זו מאפשרת לנו למדוד את תכונות הטנזור המלאות בטמפרטורות גבוהות בעקביות, דבר שהסליל את הדרך עבור חוקרים בתחום סימולציית התקנים לבחון את האפשרות של חיזוי הביצועים הממשיים של התקנים אלקטרומכניים, ובמיוחד לחיזוי ירידה בביצועים כתוצאה מיצירת חום במהלך ההפעלה.

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה של אופן ביצוע מדידות ספקטרוסקופיה אולטרסונית של תהודה בטמפרטורות גבוהות. המפתח הוא להשיג סט אמין של קבועים בטמפרטורת החדר, ולאחר מכן לגזור את תכונת הטנזור המלאה בטמפרטורות הגבוהות על בסיס הנתונים מטמפרטורת החדר.