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

Ogólnym celem tej metody rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej jest pomiar pełnego zestawu stałych materiałowych oraz ich zależności od temperatury dla materiału piezoelektrycznego przy użyciu tylko jednej próbki. Metoda impedancyjna, zdefiniowana w normach piezoelektrycznych Institute of Electrical and Electronics Engineers, wymaga od 5 do 7 próbek o różnych geometriach w celu pomiaru pełnego zestawu stałych materiałowych dla materiału piezoelektrycznego. Główną zaletą techniki rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej jest możliwość uzyskania pełnych właściwości tensorowych z jednej próbki, co pozwala uniknąć niespójności wynikających z różnic między poszczególnymi próbkami.

Dane uzyskane tą metodą umożliwiają symulację działania urządzeń elektromechanicznych oraz ilościowe określenie degradacji wydajności w wyższych temperaturach przy użyciu metody elementów skończonych o większej rozdzielczości. Najpierw należy przykleić prostokątną rurkę równoległą do próbki ceramiki PZT-4 do dolnej powierzchni metalowego pręta, używając bardzo cienkiej warstwy wosku poprzez podgrzanie pręta i próbki do około 60 °C. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej należy ciasno dopasować pręt do metalowego cylindra o większej średnicy zewnętrznej, tak aby dolną powierzchnię cylindra i próbki można było szlifować wspólnie w celu zagwarantowania płaskości powierzchni próbki. Należy zwilżyć płytkę z pleksiglasu wodą z kranu i posypać wilgotną powierzchnię proszkiem tlenku glinu o ziarności 6 µm.

Umieść uchwyt z przykleioną do niego próbką na płycie z pleksiglasu i wykonuj ruchy okrężne, aby wyrównać powierzchnię próbki. Następnie dokładnie umyj płytę z pleksiglasu oraz uchwyt próbki wodą z kranu. Po tym kroku posyp mokrą płytę z pleksiglasu proszkiem tlenku glinu 3 Micron i powtórz szlifowanie, aby wygładzić powierzchnię próbki.

Umyj płytkę szklaną i uchwyt na próbkę wodą z kranu. Zdejmij próbkę z uchwytu, podgrzewając zespół do około 60 °C, aby roztopić wosk. Po zakończeniu procesu usuń pozostałości wosku z powierzchni próbki za pomocą acetonu.

Podłącz przetwornik fal podłużnych o częstotliwości 15 MHz oraz oscyloskop cyfrowy do generatora impulsów i odbiornika (pulser receiver). Następnie umieść przetwornik na powierzchni próbki wzdłuż kierunku X, stosując pomiędzy nimi żel sprzęgający. Naciśnij klawisz kursora na panelu sterowania oscyloskopu cyfrowego.

Następnie naciśnij przycisk menu bocznego V bars i obróć pokrętło ogólnego przeznaczenia, aby przesunąć jedną linię kursora na najwyższy szczyt pierwszego sygnału echa. W tym momencie naciśnij klawisz Select i obróć pokrętło ogólnego przeznaczenia, aby przesunąć drugą linię kursora na odpowiadający mu szczyt w drugim sygnale echa. Odczytaj wartość liczbową w miejscu oznaczonym na ekranie trójkątem skierowanym w górę, która stanowi czas przelotu w obie strony impulsu fali podłużnej wzdłuż osi X.

Podłącz analizator impedancji do komputera sterującego i włącz oba urządzenia. Następnie umieść próbkę w uchwycie podłączonym do analizatora, a cały zespół włóż do komory temperaturowej. Po zamknięciu komory temperaturowej naciśnij przycisk Meas na panelu analizatora impedancji i wybierz CP-D.

Następnie, za pomocą komputera sterującego, ustaw temperaturę w komorze na 20 °C. Otwórz program arkusza kalkulacyjnego i odczytaj dane dotyczące pojemności. Następnie zapisz wyniki w pliku.

Następnie zmień temperaturę w komorze, naciskając klawisz w górę na panelu analizatora impedancji. Powtórz poprzedni krok dla każdego przyrostu temperatury, po ustabilizowaniu się temperatury w komorze. W tym momencie umieść próbkę pomiędzy przetwornikiem nadawczym a odbiorczym systemu rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej, tak aby styki znajdowały się wyłącznie w przeciwległych narożnikach próbki.

Uruchom interfejs sterujący systemu dynamicznego rezonansu, klikając dwukrotnie plik oprogramowania DRS.exe. Ustaw częstotliwość początkową, częstotliwość końcową oraz całkowitą liczbę punktów danych do zebrania. Zmierz widmo rezonansowe próbki w tym zakresie częstotliwości w temperaturze pokojowej, a następnie zapisz widmo w pliku.

Umieść próbkę pomiędzy przetwornikiem nadawczym a odbiorczym, które znajdują się już w piecu, tak aby styki znajdowały się jedynie w przeciwległych narożnikach próbki. Następnie uruchom oprogramowanie pomiarowe systemu spektroskopii ultradźwiękowej rezonansowej i zmierz częstotliwości rezonansowe próbki. Na koniec zapisz wyniki w pliku.

Zwiększ temperaturę próbki w krokach co 5 °C. Powtarzaj poprzedni krok, aż do osiągnięcia pożądanej temperatury. W przypadku próbki ceramiki PZT-4 stałe sprężystości C11E, C33E i C44E wzrastają wraz z temperaturą.

Podczas gdy stałe sprężystości C12E i C13E są niemal niezależne od temperatury w zakresie od 20 do 120 stopni Celsjusza, stałe piezoelektryczne E33, E31 i E15 wykazują silną zależność od temperatury. Zmierzone stałe dielektryczne oraz wartości przewidywane, obliczone na podstawie pełnego zestawu stałych materiałowych uzyskanych tą metodą, wykazują doskonałą zgodność.

Stałe piezoelektryczne D15 i D33 obliczone przy użyciu jednego zestawu wzorów oraz wartości obliczone przy użyciu innego zestawu wzorów wykazują również dobrą zgodność. Wyniki te potwierdzają, że pełny zestaw stałych materiałowych uzyskanych dla próbki ceramiki PZT-4 jest wysoce spójny w zakresie temperatur od 20 do 120 stopni Celsius. Technika RUS pozwala na pomiar pełnych właściwości tensorowych w podwyższonych temperaturach z zachowaniem spójności, co utorowało drogę badaczom z zakresu symulacji urządzeń do badania możliwości przewidywania rzeczywistej wydajności urządzeń elektromechanicznych, w szczególności w celu prognozowania degradacji wydajności spowodowanej generowaniem ciepła podczas pracy.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dokładną wiedzę na temat przeprowadzania pomiarów rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej w podwyższonych temperaturach. Kluczowe jest uzyskanie wiarygodnego zestawu stałych w temperaturze pokojowej, a następnie wyznaczenie pełnego tensora właściwości w wysokich temperaturach na podstawie danych uzyskanych w temperaturze pokojowej.