フルセット材料定数のキャラクタリゼーションと共鳴超音波スペクトロスコピーを用いた圧電材料のための彼らの温度依存性

Summary

このプロトコルは、共鳴超音波分光法(RUS)を使用して圧電材料のフルセット材料定数の温度依存性を測定する手順を説明しています。

Abstract

高電力電気機械デバイスの動作中に、温度上昇は、デバイス性能の低下を引き起こす原因で機械的および電気的損失を避けられません。コンピュータシミュレーションを用いて、このような劣化を評価するために、高温で完全なマトリックス材料特性は、入力として必要とされています。異なる形状のサンプル間の強い異方性の性質及び特性の変化に起因する強誘電体材料のようなデータを測定することは極めて困難です。脱分極の程度に依存境界条件であるため、大幅に異なる形状を有する複数のサンプルを必要とするIEEE（電気電子学会）インピーダンス共鳴技術によって得られたデータは、通常、自己一貫性を欠いています。共鳴超音波分光法（RUS）技術がvariatをサンプリングするサンプルによる誤差をなくすことができる唯一の​​一つのサンプルを用いて測定されるようにフルセットの材料定数を可能にしますイオン。詳細RUS手順は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT-4）圧電セラミックのサンプルを使用してここで実証されます。実施例では、材料定数の完全なセットは、120℃の室温から測定しました。測定された無料の誘電率そして測定されたフルセットのデータに基づいて算出したものと比較して、圧電定数は₁₅ DおよびD _33は 、異なる式を用いて計算しました。優れた契約はRUSによって得られたデータセットの自己整合性を確認し、温度の全範囲で発見されました。

Introduction

チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）の圧電セラミックス、（1-x）は₃ -xPbTiO _3によるPbZrO、およびその誘導体が広く1950 ¹は、超音波トランスデューサ、センサおよびアクチュエータに使用されてきました。これらの電気機械デバイスの多くは、宇宙船および地下井戸ロギングなどの高い温度範囲にて使用されます。また、このような治療超音波トランスデューサ、圧電トランスやソナープロジェクター、運転中にしばしばヒートアップなどの高電力デバイス、。このような温度上昇は、深刻なパフォーマンスの低下を引き起こし、共振周波数およびトランスデューサの焦点を変更します。高い強度は、既に腫瘍の治療のための臨床診療で使用される超音波（HIFU）技術は、PZTセラミックス製の超音波トランスデューサを使用して焦点を当てました。動作中は、これらの変換器の温度が順番にHIを変更しますPZT共振器の材料定数の変化を引き起こし、増加しますFU焦点だけでなく、出力電力^2,3。焦点のシフトではなく、癌組織の破壊される深刻な不要な結果、 すなわち 、健康な組織につながる可能性があります。焦点ずれを予測することができる一方、一つは、このようなずれを補正するために電子設計を使用することができます。したがって、圧電材料の完全なセットの材料特性の温度依存性を測定する多くの電気機械デバイス、特にハイパワーデバイスの設計及び評価のために非常に重要です。

Protocol

1.試料の調製

注：所望の大きさのPZT-4セラミックサンプルは、直接多くのPZTセラミックメーカーから注文することができます。 1つはまた、切断や研磨によって引き起こされるデポーリング復元するために、サンプルをrepoleその後、ダイヤモンド切削機を使用して、より大きなPZTセラミックブロックから試料を切断し得ます。ここで、試料形状を3mmから10mmの間の各寸法を有する平行六面体です。より大きなサイズのサンプルが必要ではありませんが、サンプルが小さすぎると精度が損なわれる可能性があります。

1. Al ₂ O ₃粉末を使用したプレキシグラスディスク上の直方体状のサンプルの表面を磨きます。
   1. まず、60℃にロッド及びサンプルを加熱することにより、ワックスの非常に薄い層を用いて金属棒の底面に試料を接着。その後、室温まで冷却。円柱試料の底面TOGを研磨することができるように、しっかりと、より大きな外径を有する金属シリンダにロッドを適合エーテル研磨試料表面の平坦性を保証します。
   2. 濡れた表面上に6ミクロン_の Al ₂ O ₃粉末を振りかける後、水のボトルを用いてガラス板を濡らします。プレート上にそれに接着サンプルとサンプルホルダーを配置し、試料表面のフラットを粉砕する円運動を行います。プレキシグラス板と試料ホルダーは徹底的に洗....

Results

反転に使用されるLMアルゴリズムは、極小のファインダーです。したがって、弾性スティフネス定数の初期値 、 、 、 、および圧電定数、E _{15、E 31、E 33は、}その真の値から、合理的な範囲内で与え....

Discussion

ここで説明RUS技術は、自己整合性を保証することができるように、サンプルからサンプルへの特性変化に起因する誤差を排除するだけのサンプルを使用して完全なセットの材料定数を測定することができます。それらは、圧電又はない場合の方法は、高い品質係数Qを有する任意の固体材料に関係なく使用することができます。他のすべての標準的な特徴付け技術は、フルセットのデータを取得するためにいくつかのサンプルを必要とし、自己一貫性のあるデータを得ることが困難です。

正確に弾性定数を測定することが重要です 、 そして室温での超音波パルスエコー法による。多くのモードの計算された共振周波数は、これらに敏感であるため、それ以外の場合は、モード識別が非常に困難です定数。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
PZT-4	TRS
パラフィン	MTI Corporation	8002-74-2
導電性銀塗料	MG Chemicals	842-20G
Al2O3 粉	体 MTI Corporation
カップリンググリース	パナメトリクス