Name: Karakterisering van de volledige set Material constanten en hun Temperatuur Afhankelijkheid van piëzo-elektrische materialen met behulp van Resonant Ultrasound Spectroscopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 44 s
Description: Leer resonante ultrasone spectroscopie om materiaalconstanten van piëzo-elektrische materialen te meten met temperatuurafhankelijkheid. Deze methode gebruikt één enkel monster voor volledige tensoreigenschappen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (subsidienummer 11374245), het NIH onder subsidienummer P41-EB2182, de Natural Science Foundation of Fujian Province, China (subsidienummer 2013J01163) en het Open Research Fund of the State Key Laboratory of Acoustics, Chinese Academy of Science (subsidienummer SKLA201306).

<ol><li>Jaffe, B., Cook, W. R., Jaffe, H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJaffe%2C+B+%22Piezoelectric+Ceramics%22">Piezoelectric Ceramics</a>. , Academic Press. (1971).</li>
<li>Chaussy, C., Thuroff, S., Rebillard, X., Gelet, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Technology+insight%3A+High-intensity+focused+ultrasound+for+urologic+cancers%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Clin.+Pract.+Urol%22%5BJournal%5D)">Technology insight: High-intensity focused ultrasound for urologic cancers.</a> Nat. Clin. Pract. Urol. 2, 191-198 (2005).</li>
<li>Haar, G. T., Coussios, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+intensity+focused+ultrasound%3A+physical+principles+and+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Hyperthermia%22%5BJournal%5D)">High intensity focused ultrasound: physical principles and devices.</a> Int. J. Hyperthermia. 23, 89-104 (2007).</li>
<li>Topolov, V. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comment+on+%22Complete+sets+of+elastic%2C+dielectric%2C+and+piezoelectric+properties+of+flux-grown+%5B011%5D-poled+Pb%28Mg1%2F3Nb2%2F3%29O3-%2828-32%29%25+PbTiO3+single+crystals%22%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Comment on "Complete sets of elastic, dielectric, and piezoelectric properties of flux-grown [011]-poled Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(28-32)% PbTiO3 single crystals".</a> Appl. Phys. Lett. 96, 196101(2010).</li>
<li>Li, S. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+full+set+material+constants+of+piezoelectric+materials+based+on+ultrasonic+method+and+inverse+impedance+spectroscopy+using+only+one+sample%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Characterization of full set material constants of piezoelectric materials based on ultrasonic method and inverse impedance spectroscopy using only one sample.</a> J. Appl. Phys. 114, 104505(2013).</li>
<li>Ohno, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rectangular+parallellepiped+resonance+method+for+piezoelectric+crystals+and+elastic+constants+of+alpha-quartz%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Miner%22%5BJournal%5D)">Rectangular parallellepiped resonance method for piezoelectric crystals and elastic constants of alpha-quartz.</a> Phys. Chem. Miner. 17, 371-378 (1990).</li>
<li>Ogi, H., Kawasaki, Y., Hirao, M., Ledbetter, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic+spectroscopy+of+lithium+niobate%3A+Elastic+and+piezoelectric+coefficients%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Acoustic spectroscopy of lithium niobate: Elastic and piezoelectric coefficients.</a> J. Appl. Phys. 92, 2451(2002).</li>
<li>Pujol, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+solution+of+nonlinear+inverse+problems+and+the+Levenberg-Manquardt+method%5BTitle%5D)+AND+%22Geophysics%22%5BJournal%5D)">The solution of nonlinear inverse problems and the Levenberg-Manquardt method.</a> Geophysics. 72, 1-16 (2007).</li>
<li>Moré, J. J., Garbow, B. S., Hillstrom, K. E. User Guide for MINPACK-1. Argonne National Laboratories Report ANL-80-74. , (1980).</li>
<li>Tang, L. G., Cao, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature+dependence+of+self-consistent+full+matrix+material+constants+of+lead+zirconate+titanate+ceramics%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Temperature dependence of self-consistent full matrix material constants of lead zirconate titanate ceramics.</a> Appl. Phys. Lett. 106, 052902(2015).</li>
<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>
<li>Berlincourt, D., Krueger, H. H. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBerlincourt%2C+D+%22Properties+of+Morgan+Electroceramic+ceramics.+Technique+publication+TP-226%22">Properties of Morgan Electroceramic ceramics. Technique publication TP-226</a>. , Morgan Electroceramics. (2000).</li>
<li>Migliori, A., Sarrao, J. L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMigliori%2C+A+%22Resonant+ultrasound+spectroscopy%22">Resonant ultrasound spectroscopy</a>. , Wiley Press. (1997).</li>
<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>

Auteurs hebben niets te onthullen.

De RUS techniek hier beschreven, kunnen de volledige reeks materiaal constanten te meten met behulp van slechts één monster, dat fouten die worden veroorzaakt door verhuurder variatie van monster tot monster zodat self-consistentie kan worden gegarandeerd elimineert. De werkwijze kan worden gebruikt voor elk vast materiaal met een hoge kwaliteitsfactor Q, ongeacht of zij piezoelektrische of niet. Alle andere standaard karakterisering technieken vereisen verschillende samples om de volledige reeks gegevens op te halen en...

Loodzirconaattitanaat (PZT) piëzo-elektrische keramiek, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3 en zijn derivaten zijn op grote schaal gebruikt in ultrasone transducers, sensoren en actuatoren sinds 1950 1. Veel van deze elektromechanische apparaten worden gebruikt bij hoge temperaturen, zoals ruimtevoertuigen en een ondergrondse goed in te loggen. Bovendien high power apparaten, zoals therapeutische ultrasone transducenten, piëzo- elektrische transformatoren en sonar projectoren, vaak warmte tijdens het gebruik. Een dergelijke temperatuur stijgt zal de resonantie frequenties en het brandpunt van transducers veranderen, leidt tot een ernstige vermindering van de prestaties. Hoge intensity focused ultrasound (HIFU) technologie reeds klinisch gebruikt voor de behandeling van tumoren, maakt gebruik van ultrasone transducenten uit PZT keramiek. Tijdens bedrijf zal de temperatuur van deze transducers verhogen, waardoor een verandering van het materiaal constanten van de PZT resonator, waardoor het HI verandertFU middelpunt en het uitgangsvermogen 2,3. De verschuiving van het zwaartepunt kan leiden tot ernstige ongewenste resultaten, dat wil zeggen, gezonde weefsels worden vernietigd in plaats van kanker weefsels. Aan de andere kant, als het brandpunt verschuiving worden voorspeld kon elektronische ontwerpen te gebruiken om deze verschuiving te corrigeren. Daarom meet de temperatuurafhankelijkheid van de volledige set materiaaleigenschappen van piëzoelektrische materialen belangrijk voor het ontwerpen en evalueren van verschillende elektromechanische inrichtingen, bijzonder hoog vermogen apparaten. Gepoolde ferro-elektrische materialen zijn de beste piëzo-elektrische materialen die vandaag de dag bekend. In feite, bijna alle piëzo-elektrische materialen die momenteel in gebruik zijn ferro-elektrische materialen, waaronder vaste oplossing PZT keramiek en (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) enkele kristallen. De IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedantie resonantie methode vereist 5-7 monsters met drastitisch verschillende geometrieën met het oog op de volledige reeks materiaal karakteriseren constanten 4. Het is bijna onmogelijk om zelfconsistente volledige set matrix data via IEEE impedantie resonantie werkwijze voor het ferroelektrische materiaal, omdat de polingsgraad afhankelijk van de monstergeometrie (randvoorwaarden) te verkrijgen, terwijl sample eigenschappen afhangen van de mate van poling. Om problemen veroorzaakt door monster tot variaties monster te voorkomen, moeten alle constanten worden gemeten van het ene monster. Li et al. Beschreven een succesvolle meting van constanten van een monster bij kamertemperatuur door een combinatie van puls-echo echografie en inverse impedantie spectroscopie 5. Helaas is deze techniek moeilijk uit te voeren bij verhoogde temperaturen, omdat het niet mogelijk is om ultrasone metingen uitvoeren zonder in de oven. Er zijn ook geen commercieel verkrijgbaar shear transducers die kan werken bij hoge temperaturen. Bovendien is de koppeling vet dat de trans gebondenducer en het monster kan niet bij hoge temperaturen. In principe RUS techniek heeft de mogelijkheid om de volledige set materiaalconstanten van piëzoelektrische materialen en hun temperatuursafhankelijkheid met slechts één monster 6,7 bepalen. Maar er zijn verschillende kritische stappen voor de goede uitvoering van de RUS-techniek. Ten eerste moet de volledige set tensor eigenschappen bij kamertemperatuur nauwkeurig worden vastgesteld door een combinatie van puls-echo en RUS technieken. Ten tweede kan deze kamertemperatuur dataset worden gebruikt om de resonantiefrequenties te voorspellen en om de gemeten die overeenkomen om de desbetreffende modi identificeren. Ten derde, voor elke kleine toename van de temperatuur van kamertemperatuur, moet men spectrum reconstructie voeren tegen het gemeten resonantiespectrum om de volledige reeks constanten in deze nieuwe temperatuur van het gemeten resonantiespectrum halen. Dan, met behulp van de nieuwe gegevens in te stellen als de nieuwe uitgangspunt, kunnen we<html> verhoging van de temperatuur met een ander klein temperatuur stap naar de volledige set constanten krijgen bij de volgende temperatuur. Voortzetting van dit proces zal ons toelaten om de temperatuur afhankelijkheid van de volledige reeks materiaal constanten te verkrijgen. Hier wordt een PZT-4 piezokeramische sample gebruikt voor de meting van de RUS techniek te illustreren. De gepoolde PZT-4 keramische heeft ∞m symmetrie met 10 onafhankelijke materiaal constanten: 5 elastische constanten, 3 piëzo-elektrische constanten en 2 diëlektrische constanten. Omdat de diëlektrische constanten zijn ongevoelig voor de verandering resonantiefrequenties, werden ze afzonderlijk gemeten met behulp van hetzelfde monster. De temperatuurafhankelijkheid van geklemd diëlektrische constanten <img alt="vergelijking 3" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> en <img alt="vergelijking 4" src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" /> werden direct gemeten vanaf de capaciteitsmetingen, terwijl de vrije diëlektrische constantenoad / 53461 / image005.jpg &quot;/&gt; en <img alt="vergelijking 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> gemeten op hetzelfde tijdstip werden gebruikt als data consistentiecontroles. De temperatuurafhankelijkheid van elastische constanten stijfheid bij constante elektrische veld <img alt="vergelijking 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="vergelijking 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="vergelijking 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="vergelijking 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> en <img alt="vergelijking 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> En piëzo-elektrische spanning constanten e 15, e 31 e en 33 werden bepaald door het RUS techniek met behulp van hetzelfde monster.

<table><tbody><tr><td>PZT-4</td><td>TRS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>paraffin</td><td>MTI Corporation</td><td>8002-74-2</td><td></td></tr><tr><td>geleidende zilververf</td><td>MG Chemicals</td><td>842-20G</td><td></td></tr><tr><td>Al2O3 Poeder</td><td>MTI Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>koppelingsvet</td><td>Panametrics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

karakterisering van de volledige set material constanten en hun temperatuur afhankelijkheid van piëzo-elektrische materialen met behulp van resonant ultrasound spectroscopie

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

Tijdens het gebruik van hoog vermogen elektromechanische apparatuur, een temperatuurstijging onvermijdelijk door mechanische en elektrische verliezen, waardoor de degradatie van de prestaties van het apparaat. Om dergelijke verslechteringen behulp computersimulaties evalueren, zijn volledige matrixmateriaal eigenschappen bij verhoogde temperaturen nodig als invoer. Het is uiterst moeilijk om dergelijke gegevens voor ferro-elektrische materialen te meten door hun sterke anisotrope aard en eigenschap variatie tussen monsters van verschillende geometrieën. Omdat de mate van depolarisatie is randvoorwaarde afhankelijk, verkregen door de IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedantie resonantie techniek die meerdere monsters met drastisch verschillende geometrieën vereist, gewoonlijk missen zelfconsistentie. De resonerende ultrasone spectroscopie (RUS) techniek maakt het mogelijk de volledige set materiaal constanten te meten met behulp van slechts één monster, die fouten veroorzaakt door monster tot Variat monster kan eliminerenion. Een gedetailleerde RUS procedure wordt hier getoond aan de hand van een loodzirconaattitanaat (PZT-4) piëzokeramisch monster. In het voorbeeld, het benodigde materiaal constanten gemeten van kamertemperatuur tot 120 ° C. Gemeten gratis diëlektrische constanten <img alt="vergelijking 1" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> en <img alt="vergelijking 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> werden vergeleken met degenen berekend op basis van de gemeten volledige set van gegevens, en piëzo-elektrische constanten d 15 en d 33 werden ook berekend met behulp van verschillende formules. Uitstekende overeenkomst werd gevonden in het hele scala van temperaturen, waarbij de zelf-consistentie van de dataset verkregen door RUS bevestigd.

De LM algorisme gebruikt in de inversie is een lokaal minimum finder. Daarom is de beginwaarden van elastische stijfheid constanten <img alt="vergelijking 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="vergelijking 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="vergelijking 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="vergelijking 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> en <img alt="vergelijking 10" src="/files/ftp_upload/53461/image01...

Dit protocol beschrijft de procedure voor het meten van de temperatuursafhankelijkheid van de volledige set materiaalconstanten van piëzo-elektrische materialen met behulp van resonante ultrasone spectroscopie (RUS).

Karakterisering van de volledige set Material constanten en hun Temperatuur Afhankelijkheid van piëzo-elektrische materialen met behulp van Resonant Ultrasound Spectroscopie

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

Het algemene doel van deze methode van resonantie-ultrasone spectroscopie is om een volledige set materiaalkonstanten en hun temperatuurafhankelijkheid voor een piëzo-elektrisch materiaal te meten met gebruik van slechts één monster. De impedantiemethode, zoals gedefinieerd in de piëzo-elektrische standaarden van het Institute of Electrical and Electronics Engineers, vereist 5 tot 7 monsters met verschillende geometrieën om de volledige set materiaalkonstanten voor piëzo-elektrisch materiaal te meten. Het belangrijkste voordeel van de techniek van resonantie-ultrasone spectroscopie is dat de volledige tensoreigenschappen uit één monster kunnen worden verkregen, waardoor inconsistenties door variaties tussen monsters worden voorkomen.De met deze methode verkregen gegevens stellen onderzoekers in staat om de prestaties van elektromechanische apparaten te simuleren en de prestatievermindering bij hogere temperaturen te kwantificeren met behulp van de finite-elementenmethode. Lijm eerst een rechthoekige parallelle pijp aan het PZT-4 keramische monster op het bodemoppervlak van een metalen staaf met een zeer dunne laag was door de staaf en het monster te verhitten tot ongeveer 60 °C. Na

characterization-full-set-material-constants-their-temperature

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

We presenteren een protocol voor het gebruik van een piëzo-elektrisch geassisteerde tribometer en optisch profielmeter om de afhankelijkheid van ultrasoon slijtage en wrijvingsreductie op lineaire snelheid, contactdruk en oppervlakte-eigenschappen te onderzoeken.

Experimenten op Ultrasoon smeren met behulp van een piëzo-elektrisch ondersteunde Tribometer en optische Profilometer

Supergeleidende magnetron resonatoren van belang zijn voor de detectie van licht, quantum computing toepassingen en materialen karakterisering. Dit werk geeft een gedetailleerde procedure voor de fabricage en karakterisering van supergeleidende magnetron resonator verstrooiing parameters.

Fabricage en karakterisering van Supergeleidende Resonators

Fabricage van piëzo-elektrische dikte modus transducers via gelijkstroom sputteren van plaatelektroden op lithium niobate wordt beschreven. Bovendien wordt een betrouwbare werking bereikt met een transducerhouder en vloeistoftoevoersysteem en wordt karakterisering aangetoond via impedantieanalyse, laserdrolbaarheid, snelle beeldvorming en druppelgrootteverdeling met behulp van laserverstrooiing.

Fabricage en karakterisering van thicknessmodus Piëzo-elektrische apparaten voor verneveling en acoustofluidics

Dit protocol beschrijft de fabricage van een stabiel, biologisch relevant fantoommateriaal voor optische en akoestische biomedische beeldvormingstoepassingen, met onafhankelijk afstembare akoestische en optische eigenschappen.

Een stabiel fantoommateriaal voor optische en akoestische beeldvorming

Additief vervaardigde polymeren worden veel gebruikt voor de productie van elastische metamaterialen. Het visco-elastische gedrag van deze polymeren bij ultrasone frequenties blijft echter slecht bestudeerd. Deze studie rapporteert een protocol om de visco-elastische eigenschappen van 3D-geprinte polymeren te schatten en te laten zien hoe deze kunnen worden gebruikt om de dynamiek van metamaterialen te analyseren.

Karakterisering van dissipatieve elastische metamaterialen geproduceerd door additive manufacturing 

Hier vergelijken we experimenteel enkelvoudig gebogen en rechte piëzo-elektrische transducers die zijn ingebed in constructies van gewapend beton voor het oogsten van energie en structurele gezondheidsmonitoring door hun open-circuit spanning, stroomopwekking, energieopslag en schadedetectievermogen te evalueren. Gebogen transducers hebben de rechte overtroffen en bieden betere prestaties voor toepassingen in de echte wereld.

Onderzoek naar het potentieel van enkelvoudig gebogen dunne piëzo-elektrische transducers voor het oogsten van energie en structurele gezondheidsmonitoring

Dit artikel presenteert de Frequency Domain Thermoreflectance (FDTR) techniek voor lokale niet-destructieve thermische karakterisering en beeldvorming.

De frequentiedomein-thermoreflectantietechniek voor thermische eigenschapsmetingen

We presenteren een reproduceerbaar rekmodulatie-piëzoreflectantiespectroscopieprotocol dat meting van ΔR/R met lock-in detectie voor van der Waals-kristallen die op piëzokeramieken zijn overgebracht, mogelijk maakt, en resulteert in karakterisering van directe optische overgangen via ΔR/R-spectra met behulp van derde-afgeleide fitting met de Aspnes-formule.

Piëzoreflectantiespectroscopie van optische overgangen in van der Waals-gelaagde kristallen

We beschrijven het gebruik van synchrotron X-straal absorptie spectroscopie (XAS) en röntgendiffractie (XRD) technieken om details van intercalatie / deintercalation processen elektrodematerialen voor Li-ion en Na-ion batterijen probe. Zowel in situ en ex situ experimenten worden gebruikt om structurele gedrag van de werking van inrichtingen relevante begrijpen...

Karakterisering van elektrode materialen voor lithium-ion en Natrium ion accu&#39;s met synchrotron straling Technieken

De TET (tijdelijke elektrothermische) techniek is een effectieve aanpak ontwikkeld om de thermische diffusie van vaste materialen te meten.

Karakterisering van Thermal Transport in One-dimensionale vaste materialen

Leer resonante ultrasone spectroscopie om materiaalconstanten van piëzo-elektrische materialen te meten met temperatuurafhankelijkheid. Deze methode gebruikt één enkel monster voor volledige tensoreigenschappen.

Karakterisering van de volledige set Material constanten en hun Temperatuur Afhankelijkheid van piëzo-elektrische materialen met behulp van Resonant Ultrasound Spectroscopie (Video) | JoVE Journal

Karakterisering van de volledige set Material constanten en hun Temperatuur Afhankelijkheid van piëzo-elektrische materialen met behulp van Resonant Ultrasound Spectroscopie

Meer video's verkennen