Method Article

Charakterystyka pełnych stałych materiałowych i ich zależności temperaturowej dla materiałów piezoelektrycznych za pomocą rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej

DOI:

10.3791/53461

⸱

April 27th, 2016

 , 
1Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology, Xiamen University, 2Department of Mathematics and Material Research Institute, The Pennsylvania State University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten protokół opisuje procedurę pomiaru zależności temperatury od pełnych stałych materiałowych materiałów piezoelektrycznych za pomocą rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej (RUS).

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Podczas pracy urządzeń elektromechanicznych dużej mocy, wzrost temperatury jest nieunikniony z powodu strat mechanicznych i elektrycznych, powodując degradację wydajności urządzenia. Aby ocenić takie degradacje za pomocą symulacji komputerowych, potrzebne są pełne właściwości materiału matrycy w podwyższonych temperaturach jako dane wejściowe. Pomiar takich danych dla materiałów ferroelektrycznych jest niezwykle trudny ze względu na ich silny anizotropowy charakter i zmienność właściwości wśród próbek o różnych geometriach. Ponieważ stopień depolaryzacji jest zależny od warunków brzegowych, dane uzyskane za pomocą techniki rezonansu impedancyjnego IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), która wymaga kilku próbek o drastycznie różnych geometriach, zwykle nie są samospójne. Technika rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej (RUS) umożliwia pomiar pełnych stałych materiałowych przy użyciu tylko jednej próbki, co może wyeliminować błędy spowodowane zmiennością między próbkami. Szczegółowa procedura RUS została tutaj zademonstrowana przy użyciu próbki piezoceramicznej z tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT-4). W tym przykładzie zmierzono cały zestaw stałych materiałowych od temperatury pokojowej do 120 °C. Zmierzone swobodne stałe dielektryczne figure-abstract-1 i figure-abstract-2 porównano z obliczonymi na podstawie zmierzonych pełnych danych zestawu, a stałe piezoelektryczne d15 i d33 zostały również obliczone przy użyciu różnych wzorów. Stwierdzono doskonałą zgodność w całym zakresie temperatur, co potwierdziło samospójność zestawu danych uzyskanych przez RUS.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ceramika piezoelektryczna z tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT), (1-x)PbZrO 3-xPbTiO3, oraz jej pochodne są szeroko stosowane w przetwornikach ultradźwiękowych, czujnikach i siłownikach od lat 50.1. Wiele z tych urządzeń elektromechanicznych jest używanych w wysokich zakresach temperatur, takich jak pojazdy kosmiczne i podziemne studnie. Co więcej, urządzenia dużej mocy, takie jak terapeutyczne przetworniki ultradźwiękowe, transformatory piezoelektryczne i projektory sonarowe, często nagrzewają się podczas pracy. Taki wzrost temperatury zmieni częstotliwości rezonansowe i punkt ogniskowy przetworników, powodując poważne pogorszenie wydaj....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie próbki

Uwaga: próbki ceramiki PZT-4 o pożądanym rozmiarze można zamówić bezpośrednio u wielu producentów ceramiki PZT. Można również wyciąć próbkę z większego bloku ceramicznego PZT za pomocą diamentowej maszyny do cięcia, a następnie ponownie natyczować próbkę, aby przywrócić osadzanie spowodowane cięciem i polerowaniem. W tym przypadku kształtem próbki jest równoległościan o każdym wymiarze od 3 mm do 10 mm. Próbki o większych rozmiarach nie są konieczne, ale dokładność może być zagrożona, jeśli próbki są zbyt małe.

  1. Wypolerować powierzchnie prostokątnej próbki równoległościanu na krążku z pleksiglasu za pomocą....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Algorytm LM używany w inwersji to lokalny wyszukiwarka minimum. Dlatego początkowe wartości stałych sztywności sprężystości figure-results-1, figure-results-2, figure-results-3, figure-results-4, oraz figure-results-5, oraz stałe piezoelektryc....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opisana tutaj technika RUS może mierzyć pełne stałe materiałowe przy użyciu tylko jednej próbki, co eliminuje błędy spowodowane zmiennością właściwości z próbki na próbkę, dzięki czemu można zagwarantować samospójność. Metodę można stosować do dowolnego materiału stałego o wysokim współczynniku jakości Q, bez względu na to, czy jest piezoelektryczny, czy nie. Wszystkie inne standardowe techniki charakteryzacji wymagają kilku próbek, aby uzyskać pełne dane z zestawu i są trudne do uzyskania danych samospójnych.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (Grant nr 11374245), NIH w ramach Grantu nr P41-EB2182, Fundację Nauk Przyrodniczych Prowincji Fujian, Chiny (Grant nr 2013J01163), oraz Otwarty Fundusz Badawczy Państwowego Kluczowego Laboratorium Akustyki Chińskiej Akademii Nauk (Grant No. SKLA201306).

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
PZT-4TRS
parafinaMTI Corporation8002-74-2
przewodząca srebrna farbaMG Chemicals842-20G
Al2O3 ProszekMTI Corporation
Panametrics
Smar sprzęgający

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Jaffe, B., Cook, W. R., Jaffe, H. Piezoelectric Ceramics. , Academic Press. (1971).
  2. Chaussy, C., Thuroff, S., Rebillard, X., Gelet, A. Technology insight: High-intensity focused ultrasound for urologic cancers. Nat. Clin. Pract. Urol. 2, 191-198 (2005).
  3. Haar, G. T., Coussios, C.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Resonant Ultrasound SpectroscopyPiezoelectric Material ConstantsTemperature Dependence MeasurementPZT 4 Ceramic SampleElastic Constants AnalysisDielectric Constants ComparisonPiezoelectric Constants CalculationImpedance Analyzer SetupDynamic Resonance SystemSelf Consistent Data Validation

Related Articles