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

L'obiettivo generale di questo metodo di spettroscopia ultrasonica a risonanza è quello di 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'istituto di ingegneri elettrici ed elettronici, richiede da 5 a 7 campioni di diverse geometrie per misurare l'insieme completo della costante del materiale piezoelettrico. Il vantaggio principale della tecnica di spettroscopia ultrasonica di risonanza è che le proprietà tensoriali complete possono essere ottenute da un campione, evitando incongruenze causate dalle variazioni da campione a campione.

I dati acquisiti con questo metodo consentono di simulare le prestazioni dei dispositivi elettromeccanici e di quantificare il degrado delle prestazioni a temperature più elevate utilizzando il metodo degli elementi più fini. Innanzitutto, incollare un tubo parallelo rettangolare su un campione di ceramica PZT-4 sulla superficie inferiore di un'asta di metallo 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 Bagnare una lastra di plexiglass con acqua di rubinetto e cospargere 6 micron di polvere di ossido di alluminio sulla superficie bagnata.

Posizionare il portacampioni con il campione incollato sulla lastra di plexiglass ed eseguire un movimento circolare per rettificare il servizio campioni in piano. Quindi lavare accuratamente la lastra di plexiglass e il portacampioni con acqua di rubinetto. Successivamente, cospargere 3 micron di polvere di ossido di alluminio sulla lastra di plexiglass bagnata e ripetere la macinazione per levigare la superficie del campione.

Lavare la lastra di vetro e il portacampioni con acqua di rubinetto. Sollevare il campione dal supporto riscaldando il gruppo a circa 60 gradi Celsius per sciogliere la cera. Al termine, rimuovere la cera rimanente dalla superficie del campione con acetone.

Collegare un trasduttore a onda longitudinale da 15 megahertz e un oscilloscopio digitale a un ricevitore di pulcera. Quindi, posizionare il trasduttore sulla superficie del campione lungo la direzione X con un po' di grasso di accoppiamento in mezzo. Premere il tasto cursore sul pannello di controllo dell'oscilloscopio digitale.

Quindi, premere le barre V del pulsante del menu laterale e ruotare la manopola per uso generale per spostare di una riga del cursore al picco più alto del primo segnale di eco. A questo punto, premere il tasto Seleziona e ruotare la manopola per uso generico per spostare l'altra linea del cursore sul picco corrispondente nel secondo segnale di eco. Leggere il valore numerico nel punto contrassegnato da un triangolo verso l'alto sullo schermo, che è il tempo di volo di andata e ritorno dell'impulso d'onda longitudinale lungo l'asse X.

Collegare un analizzatore di impedenza a un computer di controllo e accendere entrambi. Quindi, inserire il campione nell'attrezzatura collegata all'analizzatore e posizionare l'intero gruppo in una camera climatica. Dopo aver chiuso la camera climatica, premere il tasto Meas sul pannello dell'analizzatore di impedenza e selezionare CP-D.

Quindi, impostare la camera a 20 gradi Celsius, utilizzando il computer di controllo. Apri il software del foglio di calcolo e leggi i dati sulla capacità. Quindi, salva i risultati in un file.

Successivamente, 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 si è stabilizzata. A questo punto, posizionare il campione tra i trasduttori trasmittenti e riceventi del sistema di spettroscopia ad ultrasuoni a risonanza, con contatti solo agli angoli opposti del campione.

Eseguire l'interfaccia di controllo del sistema di risonanza dinamica facendo doppio clic sul file del software DRS.exe. Impostare la frequenza di avvio, la frequenza di arresto e il numero totale di punti dati da raccogliere. 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 trasmittenti e riceventi che si trovano già nel forno, con i contatti solo agli angoli opposti del campione. Successivamente, eseguire il software di misurazione del sistema di spettroscopia a ultrasuoni a risonanza e misurare le frequenze di risonanza del campione. Quindi, salva i risultati in un file.

Aumentare la temperatura del campione con un gradino di temperatura di 5 gradi Celsius. Ripetere il passaggio precedente, fino al raggiungimento della temperatura desiderata. Per il campione ceramico PZT-4 le costanti elastiche C11E, C33E e C44E aumentano con la temperatura.

Mentre le costanti elastiche C12E e C13E sono quasi indipendenti dalla temperatura nell'intervallo da 20 a 120 gradi Celsius. D'altra parte, le costanti piezoelettriche E33, E31 ed E15 sono fortemente dipendenti dalla temperatura. Le costanti dialettiche misurate e quelle previste calcolate sulla base dell'insieme completo di costanti materiali ottenute con questo metodo mostrano un'eccellente concordanza.

Anche le costanti piezoelettriche D15 e D33 calcolate utilizzando un insieme di formule e i valori calcolati utilizzando un altro insieme di formule mostrano una buona concordanza. Questi risultati confermano che le costanti del materiale ottenute per il campione ceramico PZT-4 sono altamente autoconsistenti per l'intervallo di temperatura da 20 a 120 gradi Celsius. Questa tecnica RUS ci consente di misurare le proprietà tensoriali complete a temperature elevate con autoconsistenza, il che ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della simulazione dei dispositivi per esplorare la possibilità di prevedere le prestazioni reali dei dispositivi elettromeccanici, in particolare per prevedere il degrado delle prestazioni con la generazione di riscaldatori durante il funzionamento.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come eseguire misure di spettroscopia ultrasonica di risonanza a temperature elevate. La chiave è acquisire un insieme affidabile di costanti a temperatura ambiente e quindi deindirizzare l'intera proprietà del tensore alle alte temperature in base ai dati della temperatura ambiente.