Name: Charakterystyka pełnych stałych materiałowych i ich zależności temperaturowej dla materiałów piezoelektrycznych za pomocą rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 44 s
Description: Dowiedz się, jak mierzyć pełne stałe materiałowe i ich zależność temperaturową w materiałach piezoelektrycznych za pomocą rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej. Ta metoda wymaga tylko jednej próbki, eliminując zmienność między próbkami i poprawiając niezawodność danych do symulacji urządzeń elektromechanicznych.

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

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).

<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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Opisana tutaj technika RUS pozwala na pomiar pełnego zestawu stałych materiałowych przy użyciu tylko jednej próbki, co eliminuje błędy wynikające z różnic w właściwościach między poszczególnymi próbkami, zapewniając tym samym spójność wewnętrzną wyników. Metoda ta może być stosowana do dowolnego materiału stałego o wysokim współczynniku dobroci Q, niezależnie od tego, czy wykazuje on właściwości piezoelektryczne, czy nie. Wszystkie pozostałe standardowe techniki charakterystyki wymagają kilku próbek do uzyskania pełnego ...

Ceramika piezoelektryczna z tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT), (1-x)PbZrO3-xPbTiO3 oraz jej pochodne są szeroko stosowane w przetwornikach ultradźwiękowych, czujnikach i aktuatorach od lat 50. XX wieku1. Wiele z tych urządzeń elektromechanicznych pracuje w wysokich zakresach temperatur, na przykład w pojazdach kosmicznych i podczas profilowania otworów wiertniczych. Ponadto urządzenia o wysokiej mocy, takie jak terapeutyczne przetworniki ultradźwiękowe, transformatory piezoelektryczne i projektory sonaru, często nagrzewają się podczas pracy. Takie wzrosty temperatury zmieniają częstotliwości rezonansowe oraz punkt ogniskowania przetworników, co prowadzi do znacznego pogorszenia ich parametrów. Technologia wysoko intensywnych ultradźwięków skupionych (HIFU), stosowana już w praktyce klinicznej do leczenia nowotworów, wykorzystuje przetworniki ultradźwiękowe wykonane z ceramiki PZT. Podczas pracy temperatura tych przetworników wzrasta, co powoduje zmianę stałych materiałowych rezonatora PZT, co z kolei wpływa na punkt ogniskowania HIFU oraz moc wyjściową2,3. Przesunięcie punktu ogniskowania może prowadzić do poważnych, niepożądanych skutków, i.e., zniszczenia zdrowych tkanek zamiast tkanek nowotworowych. Z drugiej strony, jeśli przesunięcie punktu ogniskowania można przewidzieć, można zastosować rozwiązania elektroniczne w celu jego skorygowania. Dlatego pomiar zależności temperaturowej pełnego zestawu właściwości materiałowych materiałów piezoelektrycznych jest bardzo ważny dla projektowania i oceny wielu urządzeń elektromechanicznych, w szczególności tych o wysokiej mocy.
Materiały ferroelektryczne są najlepszymi znanymi obecnie materiałami piezoelektrycznymi. W rzeczywistości niemal wszystkie obecnie stosowane materiały piezoelektryczne są materiałami ferroelektrycznymi, w tym ceramiki PZT będące roztworami stałymi oraz monokryształy (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PMN-PT). Metoda rezonansu impedancji IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) wymaga 5-7 próbek o drastycznie różnych geometriach, aby scharakteryzować pełny zestaw stałych materiałowych4. Uzyskanie spójnych danych macierzy pełnego zestawu przy użyciu metody rezonansu impedancji IEEE dla materiałów ferroelektrycznych jest niemal niemożliwe, ponieważ stopień polaryzacji zależy od geometrii próbki (warunków brzegowych), podczas gdy właściwości próbki zależą od poziomu polaryzacji. Aby uniknąć problemów spowodowanych różnicami między próbkami, wszystkie stałe powinny być mierzone na jednej próbce. Li et al. opisali pomyślny pomiar wszystkich stałych z jednej próbki w temperaturze pokojowej, wykorzystując kombinację ultradźwięków w układzie echo-impuls oraz odwrotnej spektroskopii impedancyjnej5. Niestety, tę technikę trudno jest zastosować w podwyższonych temperaturach, ponieważ nie jest możliwe przeprowadzenie pomiarów ultradźwiękowych bezpośrednio wewnątrz pieca. Nie ma również dostępnych komercyjnie przetworników ścinania, które mogłyby pracować w wysokich temperaturach. Ponadto smar sprzęgający, łączący przetwornik z próbką, nie może być stosowany w wysokich temperaturach.
W zasadzie technika RUS umożliwia wyznaczenie pełnego zestawu stałych materiałowych materiałów piezoelektrycznych oraz ich zależności od temperatury przy użyciu tylko jednej próbki6,7. Istnieje jednak kilka krytycznych kroków niezbędnych do prawidłowej implementacji techniki RUS. Po pierwsze, pełny zestaw właściwości tensorowych w temperaturze pokojowej powinien zostać dokładnie określony przy użyciu kombinacji techniki echa impulsowego oraz RUS. Po drugie, ten zestaw danych dla temperatury pokojowej może być wykorzystany do przewidywania częstotliwości rezonansowych i dopasowania ich do wartości zmierzonych w celu zidentyfikowania odpowiadających im modów. Po trzecie, dla każdego niewielkiego przyrostu temperatury powyżej temperatury pokojowej należy przeprowadzić rekonstrukcję widma w odniesieniu do zmierzonego widma rezonansowego, aby odzyskać pełny zestaw stałych w tej nowej temperaturze na podstawie zmierzonego widma rezonansowego. Następnie, wykorzystując nowy zestaw danych jako nowy punkt wyjścia, możemy zwiększyć temperaturę o kolejny niewielki krok, aby uzyskać pełny zestaw stałych dla następnej temperatury. Kontynuowanie tego procesu pozwoli na uzyskanie zależności od temperatury dla pełnego zestawu stałych materiałowych.
W tym przypadku próbka piezoceramiki PZT-4 służy do zilustrowania procedury pomiarowej techniki RUS. Polaryzowana ceramika PZT-4 posiada symetrię ∞m z 10 niezależnymi stałymi materiałowymi: 5 stałymi sprężystości, 3 stałymi piezoelektrycznymi i 2 stałymi dielektrycznymi. Ponieważ stałe dielektryczne są niewrażliwe na zmiany częstotliwości rezonansowych, zmierzono je oddzielnie przy użyciu tej samej próbki. Zależność temperaturową zablokowanych stałych dielektrycznych <img alt="Równanie równowagi statycznej ΣF=0, symbol ε11, schemat analizy matematycznej dla badań naukowych." src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 3"> oraz <img alt="Równowaga statyczna; symbol odkształcenia ε₃₃; schemat fizyczny; analiza naprężenie-odkształcenie." src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 4"> wyznaczono bezpośrednio z pomiarów pojemności, podczas gdy wolne stałe dielektryczne <img alt="Równanie równowagi statycznej ε₁₁ podniesione do potęgi T; analiza wzoru edukacyjnego." src="/files/ftp_upload/53461/image005.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 5"> oraz <img alt="Równanie równowagi statycznej ΣFx=0, schemat wektorów sił w analizie równowagi." src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 2"> zmierzone w tym samym czasie, posłużyły do weryfikacji spójności danych. Zależność temperaturową stałych sztywności sprężystej przy stałym polu elektrycznym <img alt="Równanie współczynnika ściśliwości C11^E; wykres termodynamiczny; badanie zachowania fazowego." src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 6">, <img alt="Równanie równowagi chemicznej, symbol CE12, schemat, treść edukacyjna." src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 7">, <img alt="Równowaga statyczna; ΣFx=0; schemat równowagi; analiza bilansu sił; badanie mechaniczne." src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 8">, <img alt="Równanie modułu sprężystości \( C_{33}^{E} \), symbol użyty w schemacie inżynierii materiałowej." src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 9"> i <img alt="Równanie modułu sprężystości \( C_{44}^E \); wzór do analizy właściwości materiałowych." src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 10"> oraz stałe naprężeń piezoelektrycznych e15, e31 i e33 wyznaczono techniką RUS przy użyciu tej samej próbki.

<table><tbody><tr><td>PZT-4</td><td>TRS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>parafina</td><td>MTI Corporation</td><td>8002-74-2</td><td></td></tr><tr><td>przewodząca srebrna farba</td><td>MG Chemicals</td><td>842-20G</td><td></td></tr><tr><td>Al2O3 Proszek</td> Smar sprzęgający <td>MTI Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Panametrics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

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

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

Podczas pracy wysokomocnych urządzeń elektromechanicznych nieunikniony jest wzrost temperatury wynikający ze strat mechanicznych i elektrycznych, co powoduje degradację parametrów pracy urządzenia. Aby ocenić takie degradacje za pomocą symulacji komputerowych, jako dane wejściowe niezbędne są pełne macierze właściwości materiałowych w podwyższonych temperaturach. Pomiar takich danych dla materiałów ferroelektrycznych jest niezwykle trudny ze względu na ich silny charakter anizotropowy oraz zmienność właściwości między próbkami o różnej geometrii. Ponieważ stopień depolaryzacji zależy od warunków brzegowych, dane uzyskane za pomocą techniki rezonansu impedancyjnego IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), która wymaga kilku próbek o drastycznie różnej geometrii, zazwyczaj nie są spójne. Technika rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej (RUS) pozwala na pomiar pełnego zestawu stałych materiałowych przy użyciu tylko jednej próbki, co może wyeliminować błędy spowodowane różnicami między próbkami. W niniejszym materiale zaprezentowano szczegółową procedurę RUS z wykorzystaniem próbki piezoceramicznej z tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT-4). W przykładzie pełny zestaw stałych materiałowych zmierzono w zakresie od temperatury pokojowej do 120 °C. Zmierzone swobodne stałe dielektryczne <img alt="Schemat równania równowagi statycznej, ΣFx=0; ilustruje równoważenie sił w badaniu fizycznym." src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 1"> oraz <img alt="Równanie równowagi statycznej ΣFx=0, schemat wektorów sił w analizie równowagi." src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 2"> porównano z wartościami obliczonymi na podstawie zmierzonego pełnego zestawu danych, a stałe piezoelektryczne d15 i d33 obliczono również za pomocą różnych wzorów. Stwierdzono doskonałą zgodność w całym zakresie temperatur, co potwierdziło spójność zestawu danych uzyskanych metodą RUS.

Algorytm LM stosowany w inwersji służy do znajdowania lokalnego minimum. W związku z tym wartości początkowe stałych sztywności sprężystej <img alt="Równanie współczynnika ściśliwości C11^E; wykres termodynamiczny; badanie zachowania faz." src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 6">, <img alt="Równanie równowagi chemicznej, symbol C&lt;sub&gt;E&lt;/sub&gt;&lt;sup&gt;12&lt;/sup&gt;, diagram, treść edukacyjna." src="/files/ftp_upload/5...

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

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

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

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.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiamy protokół użycia trybometru wspomaganego piezoelektrycznie i profilometru optycznego do zbadania zależności zużycia ultradźwiękowego i redukcji tarcia od prędkości liniowej, nacisku kontaktowego i właściwości powierzchni.

Eksperymenty nad smarowaniem ultradźwiękowym przy użyciu trybometru wspomaganego piezoelektrycznie i profilometru optycznego

Nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe są interesujące dla wykrywania światła, zastosowań obliczeń kwantowych i charakteryzacji materiałów. W pracy przedstawiono szczegółową procedurę wytwarzania i charakterystyki parametrów rozpraszania nadprzewodzącego rezonatora mikrofalowego.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów nadprzewodzących

Opisano wytwarzanie piezoelektrycznych przetworników grubości poprzez rozpylanie elektrod płytkowych prądem stałym na niobianie litu. Dodatkowo, niezawodna praca jest osiągana dzięki uchwytowi przetwornika i systemowi zasilania płynem, a charakteryzacja jest demonstrowana za pomocą analizy impedancji, laserowej wibrometrii dopplerowskiej, szybkiego obrazowania i rozkładu wielkości kropel za pomocą rozpraszania laserowego.

Wytwarzanie i charakterystyka urządzeń piezoelektrycznych w trybie grubości do atomizacji i akustofluidyki

Ten protokół opisuje wytwarzanie stabilnego, biologicznie istotnego materiału fantomowego do zastosowań optycznego i akustycznego obrazowania biomedycznego, o niezależnych właściwościach akustycznych i optycznych.

Stabilny materiał fantomowy do obrazowania optycznego i akustycznego

Polimery wytwarzane addytywnie były szeroko stosowane do produkcji elastycznych metamateriałów. Lepkosprężyste zachowanie tych polimerów przy częstotliwościach ultradźwiękowych pozostaje jednak słabo zbadane. Badanie to przedstawia protokół do oszacowania właściwości lepkosprężystych polimerów wydrukowanych w 3D i pokazania, jak je wykorzystać do analizy dynamiki metamateriału.

Charakterystyka rozpraszających elastycznych metamateriałów wytwarzanych w procesie wytwarzania przyrostowego

Tutaj eksperymentalnie porównujemy jednokrzywe i proste przetworniki piezoelektryczne osadzone w konstrukcjach żelbetowych do pozyskiwania energii i monitorowania stanu konstrukcji, oceniając ich napięcie otwartego obwodu, wytwarzanie energii, magazynowanie energii oraz zdolność wykrywania uszkodzeń. Zakrzywione przetworniki przewyższyły proste, oferując lepszą wydajność w zastosowaniach rzeczywistych.

Badanie potencjału cienkich przetworników piezoelektrycznych o pojedynczym zakrzywieniu do pozyskiwania energii i monitorowania stanu konstrukcji

W tym artykule przedstawiono technikę termorefleksji w dziedzinie częstotliwości (FDTR) do lokalnej niedestrukcyjnej charakterystyki termicznej i obrazowania.

Technika termorefleksji w dziedzinie częstotliwości do pomiarów właściwości termicznych

Prezentujemy odtwarzalny protokół spektroskopii piezoreflektansowej z modulacją naprężeń, który umożliwia pomiar ΔR/R z wykrywaniem lock-in dla kryształów van der Waals przeniesionych na piezoceramiczne, i wyniki z charakteryzacją bezpośrednich przejść optycznych poprzez spektra ΔR/R z wykorzystaniem pasowania pochodnej trzeciej z formułą Aspnes.

Spektroskopia piezoreflekcyjna przejść optycznych w warstwowachrystałach van der Waalsa

Opisujemy użycie technik synchrotronowej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) do badania szczegółów procesów interkalacji/deinterkalacji w materiałach elektrodowych dla akumulatorów litowo-jonowych i na-jonowych. Zarówno eksperymenty in situ, jak i ex situ są wykorzystywane do zrozumienia zachowań strukturalnych istotnych dla działania...

Charakterystyka materiałów elektrodowych do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wykorzystaniem technik promieniowania synchrotronowego

Technika TET (transient electro-thermal) jest skutecznym podejściem opracowanym do pomiaru dyfuzyjności cieplnej materiałów stałych.

Charakterystyka transportu cieplnego w jednowymiarowych materiałach stałych

Dowiedz się, jak mierzyć pełne stałe materiałowe i ich zależność temperaturową w materiałach piezoelektrycznych za pomocą rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej. Ta metoda wymaga tylko jednej próbki, eliminując zmienność między próbkami i poprawiając niezawodność danych do symulacji urządzeń elektromechanicznych.

Charakterystyka pełnych stałych materiałowych i ich zależności temperaturowej dla materiałów piezoelektrycznych za pomocą rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów