풀 세트 재질 상수의 특성 및 공명 초음파​​ 분광법을 사용하여 압전 재료에 대한 그들의 온도 의존성

본 공명 초음파 분광법의 전반적인 목표는 단 하나의 시료만을 사용하여 압전 재료의 완전한 재료 상수 세트와 그 온도 의존성을 측정하는 것입니다. 전기전자공학회(IEEE)의 압전 표준에서 정의하는 임피던스법은 압전 재료의 완전한 재료 상수 세트를 측정하기 위해 서로 다른 기하학적 구조를 가진 5~7개의 시료를 필요로 합니다. 공명 초음파 분광법의 주요 장점은 단일 시료로부터 전체 텐서 특성을 얻을 수 있어, 시료 간 편차로 인해 발생하는 불일치를 방지할 수 있다는 점입니다.

이 방법을 통해 획득한 데이터는 유한요소법을 사용하여 전기 기계 장치의 성능을 시뮬레이션하고, 고온에서의 성능 저하를 정량화하는 것을 가능하게 합니다. 먼저, 금속 막대와 샘플을 약 60 °C로 가열하여 매우 얇은 왁스 층을 이용해 직사각형 평행 파이프를 PZT-4 세라믹 샘플의 금속 막대 바닥 표면에 접착합니다. 실온으로 냉각한 후, 막대를 외경이 더 큰 금속 실린더에 단단히 끼워 실린더 바닥 표면과 샘플을 함께 연마함으로써 샘플 표면의 평탄도를 보장합니다. 플렉시글라스 플레이트를 수돗물로 적시고, 젖은 표면 위에 6 µm 산화 알루미늄 분말을 뿌립니다.

샘플이 부착된 샘플 홀더를 플렉시글라스 판 위에 놓고, 원을 그리듯 움직여 샘플 표면을 평평하게 연마합니다. 그런 다음 플렉시글라스 판과 샘플 홀더를 수돗물로 충분히 세척합니다. 이어서 젖은 플렉시글라스 판 위에 3 Micron 산화알루미늄 분말을 뿌리고 연마 과정을 반복하여 샘플 표면을 매끄럽게 만듭니다.

유리판과 샘플 홀더를 수돗물로 깨끗이 세척합니다. 어셈블리를 약 60 °C로 가열하여 왁스를 녹인 후 홀더에서 샘플을 들어 올립니다. 작업이 끝나면 아세톤으로 샘플 표면에 남은 왁스를 제거합니다.

15 megahertz 종파 트랜스듀서와 디지털 오실로스코프를 펄서 수신기에 연결합니다. 다음으로, 트랜스듀서와 샘플 표면 사이에 커플링 그리스를 도포한 후, X 방향을 따라 트랜스듀서를 샘플 표면 위에 놓습니다. 디지털 오실로스코프 제어 패널의 커서 키를 누릅니다.

그런 다음, 사이드 메뉴 버튼 V bars를 누르고 범용 노브를 돌려 하나의 커서 라인을 첫 번째 에코 신호의 가장 높은 피크로 이동시킵니다. 이 상태에서 Select 키를 누르고 범용 노브를 돌려 다른 커서 라인을 두 번째 에코 신호의 해당 피크로 이동시킵니다. 화면의 위쪽 삼각형으로 표시된 위치의 수치를 읽으며, 이 값은 X축을 따라 진행하는 종파 펄스의 왕복 비행 시간입니다.

임피던스 분석기를 제어 컴퓨터에 연결하고 두 기기의 전원을 켭니다. 그런 다음 분석기에 연결된 고정 장치(fixture)에 샘플을 삽입하고, 전체 어셈블리를 온도 챔버 안에 넣습니다. 온도 챔버를 닫은 후, 임피던스 분석기 패널의 Meas 키를 누르고 CP-D를 선택합니다.

다음으로, 제어 컴퓨터를 사용하여 챔버를 20 °C로 설정합니다. 스프레드시트 소프트웨어를 열어 정전용량 데이터를 읽습니다. 그런 다음, 결과를 파일로 저장합니다.

이후 임피던스 분석기 패널의 위쪽 키를 눌러 챔버 온도를 변경합니다. 챔버 온도가 안정화되면 각 온도 증분마다 이전 단계를 반복합니다. 이 시점에서 시료의 서로 반대쪽 모서리 부분만 접촉하도록 공진 초음파 분광 시스템의 송신 및 수신 트랜스듀서 사이에 시료를 배치합니다.

소프트웨어 파일 DRS.exe를 더블 클릭하여 동적 공명 시스템의 제어 인터페이스를 실행합니다. 시작 주파수, 종료 주파수 및 수집할 총 데이터 포인트 수를 설정합니다. 상온에서 해당 주파수 범위 내 샘플의 공명 스펙트럼을 측정하고, 스펙트럼을 파일로 저장합니다.

이미 가열로 안에 설치되어 있는 송신 및 수신 트랜스듀서 사이에 샘플을 배치하며, 샘플의 대각선 모서리 부분만 접촉하도록 합니다. 그 후, 공진 초음파 분광법(resonance ultrasound spectroscopy) 시스템 측정 소프트웨어를 실행하여 샘플의 공진 주파수를 측정합니다. 그다음, 측정 결과를 파일로 저장합니다.

샘플의 온도를 5 °C 단계로 높입니다. 원하는 온도에 도달할 때까지 이전 단계를 반복합니다. PZT-4 세라믹 샘플의 경우, 탄성 계수 C11E, C33E 및 C44E는 온도에 따라 증가합니다.

탄성 계수 C12E 및 C13E는 20에서 120 °C 범위 내에서 온도에 거의 영향을 받지 않는 반면, 압전 계수 E33, E31 및 E15는 온도 의존성이 강하게 나타납니다. 측정된 유전율과 이 방법으로 얻은 전체 재료 상수 세트를 기반으로 계산된 예측값은 매우 우수한 일치도를 보입니다.

한 세트의 공식으로 계산한 압전 상수 D15 및 D33과 다른 세트의 공식으로 계산한 값 또한 서로 잘 일치하는 것을 보여줍니다. 이러한 결과는 PZT-4 세라믹 시편에 대해 얻은 전체 재료 상수 세트가 20에서 120 °C의 온도 범위에서 매우 높은 자기 일관성을 가짐을 확인시켜 줍니다. 이 RUS 기술을 통해 고온에서 전 텐서 특성을 자기 일관성 있게 측정할 수 있으며, 이는 소자 시뮬레이션 분야의 연구자들이 전기 기계 소자의 실제 성능, 특히 작동 중 열 발생에 따른 성능 저하를 예측할 수 있는 가능성을 탐구하는 길을 열어주었습니다.

이 영상을 시청한 후에는 고온에서 공명 초음파 분광법 측정을 수행하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 핵심은 상온에서 신뢰할 수 있는 상수 집합을 획득한 다음, 상온 데이터를 기반으로 고온에서의 전체 텐서 특성을 유도하는 것입니다.