Name: Caratterizzazione del set completo Materiale costanti ed i loro dipendenza dalla temperatura dei materiali piezoelettrici Utilizzando risonanza ultrasuoni Spectroscopy (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 44 s
Description: Scopri la caratterizzazione completa delle costanti dei materiali piezoelettrici e la loro dipendenza dalla temperatura mediante spettroscopia a risonanza ultrasonica. Questo metodo computazionale consente di ottenere proprietà tensoriali complete da un singolo campione.

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Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11374245), dal NIH nell'ambito della Grant No. P41-EB2182, dalla Natural Science Foundation della Provincia del Fujian, Cina (Grant No. 2013J01163), e dall'Open Research Fund del State Key Laboratory of Acoustics, Chinese Academy of Science (Grant No. SKLA201306).

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<li>Topolov, V. Y., Bowen, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inconsistencies+of+the+complete+sets+of+electromechanical+constants+of+relaxor-ferroelectric+single+crystals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Inconsistencies of the complete sets of electromechanical constants of relaxor-ferroelectric single crystals.</a> J. Appl. Phys. 109, 094107(2011).</li>
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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>
</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

La tecnica RUS qui descritto può misurare le costanti del materiale serie completa utilizzando un solo campione, che elimina gli errori causati da variazioni di proprietà da campione a campione in modo che l&#39;auto-consistenza può essere garantita. Il metodo può essere utilizzato per qualsiasi materiale solido con un elevato fattore di qualità Q, non importa se sono piezoelettrico o meno. Tutte le altre tecniche di caratterizzazione richiedono diversi campioni per ottenere i dati insieme completo e sono difficili da o...

Piombo titanato zirconato (PZT) ceramiche piezoelettriche, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3, ed i suoi derivati ​​sono stati ampiamente utilizzati in trasduttori ad ultrasuoni, sensori e attuatori dal 1950 1. Molti di questi dispositivi elettromeccanici sono utilizzati a distanze elevate temperature, come per veicoli spaziali sottostruttura ben registrazione. Inoltre, dispositivi ad alta potenza, come trasduttori a ultrasuoni terapeutici, trasformatori piezoelettrici e proiettori sonar, spesso di calore durante il funzionamento. Tali aumenti di temperatura cambieranno le frequenze di risonanza e il punto focale di trasduttori, causando calo delle prestazioni. Alta intensità focalizzati tecnologia ad ultrasuoni (HIFU), già utilizzati nella pratica clinica per il trattamento di tumori, utilizza trasduttori ultrasonici in ceramica PZT. Durante il funzionamento, la temperatura di questi trasduttori aumenterà, causando un cambiamento delle costanti materiali del risuonatore PZT, che a sua volta cambiare il HIPunto focale FU nonché il 2,3 potenza di uscita. Lo spostamento del punto focale può portare a risultati indesiderati gravi, vale a dire, i tessuti sani di essere distrutto, invece di tessuti tumorali. D&#39;altra parte, se lo spostamento del punto focale può essere previsto, si potrebbe utilizzare disegni elettronici per correggere tale spostamento. Pertanto, misurando la dipendenza dalla temperatura del pieno proprietà del materiale insieme di materiali piezoelettrici è molto importante per la progettazione e la valutazione di molti dispositivi elettromeccanici, in particolare i dispositivi ad alta potenza. materiali ferroelettrici poled sono i migliori materiali piezoelettrici noti oggi. In realtà, quasi tutti i materiali piezoelettrici attualmente in uso sono materiali ferroelettrici, tra cui ceramiche PZT soluzione solida e (1-x) Pb (Mg 1/3 2/3 Nb) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) cristalli singoli. L&#39;IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) metodo di impedenza di risonanza richiede 5-7 campioni con drasticamente geometrie diverse, al fine di caratterizzare il materiale set completo costanti di 4. È quasi impossibile ottenere dati di matrice set completo autoconsistenti utilizzando il metodo IEEE impedenza di risonanza per i materiali ferroelettrici perché il grado di polarizzazione dipende campione geometria (condizioni al contorno), mentre le proprietà del campione dipendono dal livello di polarizzazione. Per evitare problemi causati da campione a campione varianti, tutte le costanti devono essere misurati da un campione. Li et al. Annunciata la misurazione successo di tutte le costanti di un campione a temperatura ambiente usando una combinazione di impulsi eco ad ultrasuoni e l&#39;impedenza inversa spettroscopia 5. Purtroppo, questa tecnica è difficile da eseguire a temperature elevate perché non è possibile eseguire misure ultrasoniche direttamente all&#39;interno del forno. Inoltre, non esistono trasduttori di taglio disponibili in commercio che possono lavorare ad alte temperature. Inoltre, il grasso di accoppiamento che legava il transduttore e il campione non può lavorare a temperature elevate. In linea di principio, la tecnica RUS ha la capacità di determinare l&#39;insieme completo costanti del materiale di materiali piezoelettrici e la loro dipendenza dalla temperatura utilizzando un solo campione 6,7. Ma ci sono diversi passaggi critici per la corretta applicazione della tecnica RUS. In primo luogo, il set completo di proprietà tensore a temperatura ambiente deve essere determinato con precisione utilizzando una combinazione di impulsi eco e tecniche RUS. In secondo luogo, questa camera insieme di dati di temperatura può essere utilizzato per prevedere le frequenze di risonanza e per abbinare quelle misurate al fine di individuare le modalità corrispondenti. Terzo, per ogni piccolo incremento della temperatura dalla temperatura ambiente fino, si ha la necessità di effettuare la ricostruzione spettro contro lo spettro di risonanza misurata al fine di recuperare le costanti dell&#39;insieme completo in questa nuova temperatura dallo spettro di risonanza misurata. Quindi, utilizzando i nuovi dati impostati come il nuovo punto di partenza, possiamo<html> aumentare la temperatura da un altro passo piccolo temperatura per ottenere le costanti dell&#39;insieme completo alla temperatura prossima. Continuando questo processo ci permetterà di ottenere la dipendenza dalla temperatura del pieno costanti del materiale insieme. Qui, un campione piezoceramico PZT-4 è usato per illustrare la procedura di misurazione della tecnica RUS. Il poled PZT-4 in ceramica ha una simmetria ∞m con 10 costanti indipendenti materiali: 5 costanti elastiche, 3 costanti piezoelettriche e 2 costanti dielettriche. Poiché le costanti dielettriche sono insensibili alla variazione delle frequenze di risonanza, sono stati misurati separatamente utilizzando lo stesso campione. La dipendenza dalla temperatura delle costanti dielettriche bloccati <img alt="Equazione 3" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> e <img alt="Equazione 4" src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" /> sono stati misurati direttamente dalle misure di capacità, mentre le costanti dielettriche liberiOAD / 53461 / image005.jpg &quot;/&gt; e <img alt="Equazione 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> misurato allo stesso tempo sono state usate come controlli di coerenza dei dati. La dipendenza dalla temperatura delle costanti rigidezza elastica in un campo elettrico costante <img alt="equazione 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="equazione 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="equazione 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="equazione 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> e <img alt="equazione 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> , E le costanti di stress piezoelettrici E 15, e 31 e 33 e sono stati determinati mediante la tecnica RUS utilizzando lo stesso campione.

<table><tbody><tr><td>PZT-4</td><td>TRS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>paraffina</td><td>MTI Corporation</td><td>8002-74-2</td><td></td></tr><tr><td>vernice conduttiva all'argento</td><td>MG Chemicals</td><td>842-20G</td><td></td></tr><tr><td>Al2O3 Polvere</td><td>MTI Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>grasso per giunti</td><td>Panametrics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

caratterizzazione del set completo materiale costanti ed i loro dipendenza dalla temperatura dei materiali piezoelettrici utilizzando risonanza ultrasuoni spectroscopy

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

Durante il funzionamento dei dispositivi elettromeccanici di alta potenza, un aumento di temperatura è inevitabile a causa delle perdite meccaniche ed elettriche, provocando il degrado delle prestazioni del dispositivo. Al fine di valutare tali degradazioni utilizzando simulazioni al computer, piena proprietà dei materiali a matrice a temperature elevate sono necessarie come ingressi. È estremamente difficile misurare tali dati per materiali ferroelettrici causa del loro forte anisotropo natura e proprietà variazione tra campioni di diverse geometrie. Poiché il grado di depolarizzazione è condizione al contorno dipendenti, i dati ottenuti dalla IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) tecnica di impedenza di risonanza, che richiede parecchi campioni con drasticamente diverse geometrie, di solito la mancanza di auto-consistenza. La spettroscopia di risonanza ultrasuoni (RUS) la tecnica consente la piena costanti del materiale pronto per essere misurati utilizzando un solo campione, che può eliminare errori causati da campione a campione rielaborataionico. Una procedura dettagliata RUS è dimostrato qui utilizzando un titanato zirconato di piombo (PZT-4) campione piezoceramico. Nell&#39;esempio, il set completo di costanti del materiale è stata misurata da temperatura ambiente a 120 ° C. Misurati costanti dielettriche liberi <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> e <img alt="Equazione 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> sono stati confrontati con quelli calcolati sulla base dei dati completo set di misura, e le costanti piezoelettriche D 15 e D 33 sono stati anche calcolati con formule diverse. Eccellente accordo è stato trovato in tutta la gamma di temperature, che hanno confermato l&#39;auto-consistenza del set di dati ottenuto dal RUS.

Il algorism LM utilizzato nell&#39;inversione è un cercatore minimo locale. Pertanto, i valori iniziali delle costanti elastiche rigidezza <img alt="equazione 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="equazione 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="equazione 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="equazione 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> , e <img alt="equazione 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" ...

Questo protocollo descrive la procedura di misurazione della dipendenza dalla temperatura delle costanti di materiale completamente impostate dei materiali piezoelettrici utilizzando la spettroscopia a ultrasuoni risonanti (RUS).

Caratterizzazione del set completo Materiale costanti ed i loro dipendenza dalla temperatura dei materiali piezoelettrici Utilizzando risonanza ultrasuoni Spectroscopy

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

L'obiettivo generale di questo metodo di spettroscopia ultrasonica a risonanza è misurare un insieme completo di costanti del materiale e la loro dipendenza dalla temperatura per un materiale piezoelettrico, utilizzando un solo campione. Il metodo di impedenza definito negli standard piezoelettrici dell'Institute of Electrical and Electronic Engineers richiede da 5 a 7 campioni di geometrie diverse per misurare l'insieme completo di costanti del materiale per un materiale piezoelettrico. Il principale vantaggio della tecnica di spettroscopia ultrasonica a risonanza è che le proprietà tensoriali complete possono essere ottenute da un singolo campione, evitando le incongruenze causate dalle variazioni tra campione e campione.I dati ottenuti con questo metodo permettono di simulare il comportamento di dispositivi elettromeccanici e di quantificare il degrado delle prestazioni a temperature più elevate utilizzando il metodo degli elementi finiti. Innanzitutto, incollare un tubo parallelo rettangolare a un campione di ceramica PZT-4 sulla superficie inferiore di un'asta metallica utilizzando uno strato molto sottile di cera, riscaldando l'asta e il campione a circa 60 gradi Celsius. Dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, inserire saldamente l'asta in un cilindro metallico con un diametro esterno maggiore, in modo che la superficie inferiore del cilindro e il campione possano essere lucidati insieme per garantire la planarità della superficie del campione. Inumidire una lastra di plexiglass con acqua corrente e cospargere polvere di ossido di alluminio da 6 micron sulla superficie bagnata.Posizionare il portacampioni con il campione incollato sulla piastra in plexiglass ed eseguire un movimento circolare per levigare la superficie del campione. Successivamente, lavare accuratamente con acqua corrente la piastra in plexiglass e il portacampioni. Dopodiché, spargere della polvere di ossido di alluminio da 3 Micron sulla piastra in plexiglass bagnata e ripetere la levigatura per rendere più liscia la superficie del campione.Sciacquare bene la piastra di vetro e il portacampioni con acqua corrente. Sollevare il campione dal portacampioni riscaldando l'insieme a circa 60 gradi Celsius per sciogliere la cera. Al termine, rimuovere la cera residua dalla superficie del campione con acetone.Collegare un trasduttore a onda longitudinale da 15 megahertz e un oscilloscopio digitale a un ricevitore pulser. Successivamente, posizionare il trasduttore sulla superficie del campione lungo la direzione X, applicando tra loro un po' di grasso di accoppiamento. Premere il tasto cursore sul pannello di controllo dell'oscilloscopio digitale.Quindi, premere il pulsante del menu laterale con le barre V e ruotare la manopola multifunzione per spostare una linea del cursore fino al picco più alto del primo segnale di eco. A questo punto, premere il tasto Select e ruotare la manopola multifunzione per spostare l'altra linea del cursore fino al picco corrispondente nel secondo segnale di eco. Leggere il valore numerico nel punto contrassegnato da un triangolo rivolto verso l'alto sullo schermo, che rappresenta il tempo di volo di andata e ritorno dell'impulso dell'onda longitudinale lungo l'asse X.Collegare un analizzatore di impedenza a un computer di controllo e accendere entrambi. Inserire quindi il campione nel supporto collegato all'analizzatore e posizionare l'intero insieme all'interno di una camera termica. Dopo aver chiuso la camera termica, premere il tasto Meas sul pannello dell'analizzatore di impedenza e selezionare CP-D.Successivamente, impostare la camera a 20 gradi Celsius utilizzando il computer di controllo. Aprire il software per fogli di calcolo e leggere i dati di capacità. Quindi, salvare i risultati in un file.In seguito, modificare la temperatura della camera premendo il tasto su sul pannello dell'analizzatore di impedenza. Ripetere il passaggio precedente per ogni incremento di temperatura, dopo che la temperatura della camera ha raggiunto la stabilità. A questo punto, posizionare il campione tra i trasduttori trasmittente e ricevente del sistema di spettroscopia ultrasonica a risonanza, con contatti soltanto agli angoli opposti del campione.Eseguire l'interfaccia di controllo del sistema a risonanza dinamica facendo doppio clic sul file software DRS.exe. Impostare la frequenza iniziale, la frequenza finale e il numero totale di punti dati da acquisire. Misurare lo spettro di risonanza del campione in questo intervallo di frequenza a temperatura ambiente e salvare lo spettro in un file.Posizionare il campione tra i trasduttori trasmittente e ricevente già presenti nel forno, con contatti solo agli angoli opposti del campione. Successivamente, eseguire il software di misurazione del sistema di spettroscopia ultrasonica a risonanza e misurare le frequenze di risonanza del campione. Quindi, salvare i risultati in un file.Aumentare la temperatura del campione con un incremento termico di 5 gradi Celsius. Ripetere il passaggio precedente finché non si raggiunge la temperatura desiderata. Per il campione di ceramica PZT-4, le costanti elastiche C11E, C33E e C44E aumentano all’aumentare della temperatura.Mentre le costanti elastiche C12E e C13E sono quasi indipendenti dalla temperatura nell'intervallo compreso tra 20 e 120 gradi Celsius, d'altro canto le costanti piezoelettriche E33, E31 ed E15 dipendono fortemente dalla temperatura. Le costanti dielettriche misurate e quelle previste calcolate sulla base dell'intero insieme di costanti del materiale ottenute con questo metodo mostrano un eccellente accordo.I valori delle costanti piezoelettriche D15 e D33 calcolati utilizzando un insieme di formule e quelli ottenuti con un altro insieme di formule mostrano anche un buon accordo. Questi risultati confermano che l'intero insieme di costanti del materiale ottenuto per il campione di ceramica PZT-4 è altamente autoconsistente nell'intervallo di temperatura compreso tra 20 e 120 gradi Celsius. Questa tecnica RUS consente di misurare le proprietà tensoriali complete a temperature elevate in modo autoconsistente, aprendo la strada ai ricercatori nel campo della simulazione di dispositivi per esplorare la possibilità di prevedere le prestazioni reali dei dispositivi elettromeccanici, in particolare per prevedere il degrado delle prestazioni legato alla generazione di calore durante il funzionamento.Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come eseguire misurazioni di spettroscopia ultrasonica di risonanza a temperature elevate. La chiave è acquisire un insieme affidabile di costanti a temperatura ambiente e poi ricalcolare l'intero tensore delle proprietà alle alte temperature sulla base dei dati ottenuti a temperatura ambiente.

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