Name: Caracterização do conjunto completo de constantes do material e sua dependência de temperatura para materiais piezoelétricos Usando Resonant Ultrasound Spectroscopy (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 44 s
Description: Aprenda a medir constantes de materiais piezoelétricos e sua dependência térmica usando espectroscopia de ultrassom ressonante com uma única amostra. Este método reduz variabilidade e melhora simulações de dispositivos eletromecânicos.

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Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Grant No. 11374245), o NIH sob a Grant No. P41-EB2182, a Fundação de Ciências Naturais da Província de Fujian, China (Grant No. 2013J01163), e o Fundo de Pesquisa Aberta do Laboratório Estadual de Acústica, Academia Chinesa de Ciências (Grant No. SKLA201306).

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Os autores não têm nada a divulgar.

A técnica RUS descrito aqui pode medir as constantes materiais conjunto completo usando apenas uma amostra, o que elimina erros causados ​​pela variação da propriedade de amostra para amostra de modo que a auto-consistência pode ser garantida. O método pode ser utilizado para qualquer material sólido com um elevado factor de qualidade Q, não importa se eles estão ou não piezoeléctrico. Todas as outras técnicas de caracterização padrão exigir várias amostras para obter o conjunto de dados completo e são difíceis de alcan...

Titanato zirconato de chumbo (PZT) cerâmicas piezoeléctricas, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3, e os seus derivados têm sido amplamente utilizados em transdutores ultra-sónicos, sensores e actuadores, uma vez a 1950 um. Muitos destes dispositivos eletromecânicos são usadas em faixas de alta temperatura, como por veículos espaciais e subterrâneos bem login. Além disso, os dispositivos de alta potência, tais como transdutores de ultra-sons terapêuticos, transformadores piezoelétricos e projetores sonar, muitas vezes de aquecimento durante a operação. Tais aumentos de temperatura vai mudar as frequências de ressonância e o ponto focal dos transdutores, causando grave degradação do desempenho. Alta intensidade ultra-som focado tecnologia (HIFU), já utilizado na prática clínica para o tratamento de tumores, utiliza transdutores de cerâmica PZT. Durante a operação, a temperatura destes transdutores irá aumentar, causando uma alteração das constantes de material do ressonador PZT, o qual por sua vez mudará o HIPonto focal FU, bem como a potência de saída de 2,3. A mudança do ponto focal pode levar a resultados indesejáveis ​​graves, ou seja, os tecidos saudáveis ​​sendo destruídas em vez de tecidos de câncer. Por outro lado, se o deslocamento do ponto focal pode ser previsto, pode-se usar modelos electrónicos para corrigir essa mudança. Portanto, medir a dependência da temperatura do total de propriedades do material conjunto de materiais piezoeléctricos é muito importante para a concepção e avaliação de muitos dispositivos eletromecânicos, particularmente dispositivos de alta potência. materiais ferroelétricos Poled são os melhores materiais piezoelétricos conhecidos hoje. Na verdade, quase todos os materiais piezoeléctricos atualmente em uso são materiais ferroelétricos, incluindo cerâmicas de PZT solução sólida e (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) cristais individuais. O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) método de ressonância impedância requer 5-7 amostras com drasticamente diferentes geometrias, a fim de caracterizar o material conjunto completo constantes 4. É quase impossível a obtenção de dados do conjunto de matriz completa auto-consistente, utilizando o método de ressonância IEEE impedância de materiais ferroeléctricos, porque o grau de Poling depende da geometria da amostra (condições de contorno), enquanto as propriedades de amostra dependem do nível de Poling. Para evitar problemas causados ​​por amostra para amostra variações, todas as constantes devem ser medidos a partir de uma amostra. Li et ai. Relataram a medição bem sucedida de todas as constantes de uma amostra à temperatura ambiente, usando uma combinação de ultra-som de pulso-eco e impedância inversa espectroscopia 5. Infelizmente, esta técnica é difícil de realizar, a temperaturas elevadas, porque não é possível executar medições de ultra-sons directamente dentro do forno. Também não há transdutores de corte disponíveis no mercado que podem trabalhar em altas temperaturas. Além disso, a massa de acoplamento que se ligou o transprodutor e a amostra não pode trabalhar em altas temperaturas. Em princípio, a técnica RUS tem a capacidade de determinar as constantes materiais conjunto completo de materiais piezoelétricos e sua dependência da temperatura usando apenas uma amostra 6,7. Mas há vários passos críticos para a correcta aplicação da técnica RUS. Primeiro, o conjunto completo de propriedades tensor à temperatura ambiente deve ser determinado com precisão usando uma combinação de técnicas RUS pulso-eco e. Em segundo lugar, este quarto conjunto de dados de temperatura pode ser utilizado para prever as frequências de ressonância e para corresponder aos medidos a fim de identificar os modos correspondentes. Em terceiro lugar, para cada pequeno incremento de temperatura desde a temperatura ambiente até, é necessário para executar a reconstrução do espectro em relação ao espectro de ressonância medida, a fim de recuperar as constantes conjunto completas, nesta nova temperatura a partir do espectro de ressonância medida. Então, usando o novo conjunto de dados como o novo ponto de partida, podemos<html> aumentar a temperatura por mais um passo de temperatura pequena para obter as constantes de jogo completas para o próximo da temperatura. Continuando este processo irá permitir-nos obter a dependência da temperatura das constantes materiais conjunto completo. Aqui, uma amostra piezocerâmico PZT-4 é usado para ilustrar o processo de medição da técnica rus. O poled PZT-4 cerâmico tem simetria ∞m com 10 constantes independentes do material: 5 constantes elásticas, 3 constantes piezoeléctricos 2 e constantes dieléctricas. Uma vez que as constantes dieléctricas são insensíveis à mudança das frequências de ressonância, que foram medidos separadamente usando a mesma amostra. A dependência da temperatura de constantes dielétricas apertadas <img alt="equação 3" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> e <img alt="equação 4" src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" /> foram medidas directamente a partir das medições de capacitância, enquanto as constantes dieléctricas livresoad / 53461 / image005.jpg &quot;/&gt; e <img alt="equação 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> medida ao mesmo tempo foram usados ​​como controlos de consistência de dados. A dependência da temperatura de constantes de rigidez elástica a um campo eléctrico constante <img alt="equação 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="equação 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="equação 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="equação 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> e <img alt="equação 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> , E as constantes de tensão piezoeléctricos E 15, E 31 e E 33 foram determinados pela técnica RUS usando a mesma amostra.

<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>tinta prateada condutora</td><td>MG Chemicals</td><td>842-20G</td><td></td></tr><tr><td>Al2O3 Pó</td><td>MTI Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>graxa de acoplamento</td><td>Panametrics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

caracterização do conjunto completo de constantes do material e sua dependência de temperatura para materiais piezoelétricos usando resonant ultrasound spectroscopy

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

Durante a operação de dispositivos electromecânicos de alta potência, um aumento de temperatura é inevitável devido às perdas mecânicas e eléctricas, causando a degradação do desempenho do dispositivo. A fim de avaliar tais degradações usando simulações de computador, as propriedades do material de matriz completa a temperaturas elevadas são necessários como entradas. É extremamente difícil medir esses dados para materiais ferroelétricos, devido à sua forte variação anisotrópica natureza e propriedade entre as amostras de diferentes geometrias. Porque o grau de despolarização é condição de contorno dependentes, dados obtidos pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) técnica de ressonância de impedância, o que requer várias amostras com drasticamente diferentes geometrias, geralmente carecem de auto-consistência. A espectroscopia de ultra-som ressonante (RUS) técnica permite que as constantes materiais conjunto completo a ser medido utilizando apenas uma amostra, que pode eliminar erros causados ​​pela amostra para amostra variatíon. Um procedimento detalhado RUS é demonstrado aqui usando um titanato zirconato de chumbo (PZT-4) amostra piezocerâmicos. No exemplo, o conjunto completo de constantes do material foi medida a partir da temperatura ambiente até 120 ° C. Medido constantes dieléctricas livres <img alt="equação 1" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> e <img alt="equação 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> foram comparados com os calculados com base nos dados conjunto completo de medição e constantes piezoelétricas d 15 e d 33 também foram calculadas usando fórmulas diferentes. Excelente concordância foi encontrado em toda a gama de temperaturas, o que confirmou a auto-consistência do conjunto de dados obtidos pelo RUS.

O algorism LM utilizado na inversão é um localizador mínimo local. Portanto, os valores iniciais das constantes de rigidez elástica <img alt="equação 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="equação 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="equação 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="equação 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> e <img alt="equação 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> E constantes pie...

Este protocolo descreve o procedimento de medição da dependência da temperatura das constantes de material de material de material piezoelétrico usando espectroscopia de ultrassom ressonante (RUS).

Caracterização do conjunto completo de constantes do material e sua dependência de temperatura para materiais piezoelétricos Usando Resonant Ultrasound Spectroscopy

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

O objetivo geral deste método de espectroscopia ultrassônica por ressonância é medir um conjunto completo de constantes de material e sua dependência com a temperatura para um material piezoelétrico, utilizando apenas uma única amostra. O Método de Impedância definido nas normas piezoelétricas do Institute of Electrical and Electronic Engineers exige de 5 a 7 amostras com diferentes geometrias para medir o conjunto completo de constantes de material para um material piezoelétrico. A principal vantagem da técnica de espectroscopia ultrassônica por ressonância é que as propriedades tensoriais completas podem ser obtidas a partir de uma única amostra, evitando inconsistências causadas por variações entre amostras.Os dados obtidos com este método permitem que as pessoas simulem o desempenho de dispositivos eletromecânicos e quantifiquem a degradação do desempenho em temperaturas mais elevadas utilizando o método de elemento finito. Primeiro, cole um tubo paralelo retangular à amostra de cerâmica PZT-4 na superfície inferior de uma haste metálica usando uma camada muito fina de cera, aquecendo a haste e a amostra até cerca de 60 graus Celsius. Após o resfriamento até a temperatura ambie

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