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

O objetivo geral deste método de espectroscopia ultrassônica de ressonância é medir um conjunto completo de constantes de material e sua dependência de temperatura para um material piezoelétrico usando apenas uma amostra. O Método de Impedância definido nas normas piezoelétricas do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos, requer de 5 a 7 amostras de diferentes geometrias para medir o conjunto completo de constante de material para material piezoelétrico. A principal vantagem da técnica de espectroscopia ultrassônica de ressonância é que as propriedades tensoras completas podem ser obtidas de uma amostra, evitando inconsistências causadas por variações de amostra para amostra.

Os dados adquiridos a partir deste método permitem simular o desempenho de dispositivos eletromecânicos e quantificar a degradação do desempenho em temperaturas mais altas usando o método de elementos mais finos. Primeiro, cole um tubo paralelo retangular à amostra de cerâmica PZT-4 na superfície inferior de uma haste de metal usando uma camada muito fina de cera aquecendo a haste e a amostra a cerca de 60 graus Celsius. Após o resfriamento à temperatura ambiente, encaixe firmemente a haste em um cilindro de metal com um diâmetro externo maior para que a superfície inferior do cilindro e a amostra possam ser polidas juntas para garantir o nivelamento da superfície da amostra Molhe uma placa de plexiglass com água da torneira e polvilhe pó de óxido de alumínio de 6 mícrons na superfície molhada.

Coloque o porta-amostras com a amostra colada na placa de plexiglass e faça um movimento circular para moer o serviço de amostra. Em seguida, lave bem a placa de plexiglass e o porta-amostras com água da torneira. Em seguida, polvilhe pó de óxido de alumínio de 3 mícrons na placa de plexiglass úmida e repita a moagem para alisar a superfície da amostra.

Lave a placa de vidro e o porta-amostras com água da torneira. Levante a amostra do suporte aquecendo o conjunto a cerca de 60 graus Celsius para derreter a cera. Quando terminar, remova a cera restante da superfície da amostra com acetona.

Conecte um transdutor de onda longitudinal de 15 megahertz e um osciloscópio digital a um receptor de pulseiro. Em seguida, coloque o transdutor na superfície da amostra ao longo da direção X com um pouco de graxa de acoplamento no meio. Pressione a tecla do cursor no painel de controle do osciloscópio digital.

Em seguida, pressione o botão do menu lateral V bars e gire o botão de uso geral para mover uma linha de cursor para o pico mais alto do primeiro sinal de eco. Neste ponto, pressione a tecla Selecionar e gire o botão de uso geral para mover a outra linha do cursor para o pico correspondente no segundo sinal de eco. Leia o valor numérico no local marcado com um triângulo para cima na tela, que é o tempo de voo de ida e volta do pulso de onda longitudinal ao longo do eixo X.

Conecte um analisador de impedância a um computador de controle e ligue ambos. Em seguida, insira a amostra no acessório conectado ao analisador e coloque todo o conjunto em uma câmara de temperatura. Depois de fechar a câmara de temperatura, pressione a tecla Meas no painel do analisador de impedância e selecione CP-D.

Em seguida, ajuste a câmara para 20 graus Celsius, usando o computador de controle. Abra o software da planilha e leia os dados de capacitância. Em seguida, salve os resultados em um arquivo.

Em seguida, altere a temperatura da câmara pressionando a tecla para cima no painel do analisador de impedância. Repita a etapa anterior para cada incremento de temperatura, depois que a temperatura da câmara se estabilizar. Neste ponto, coloque a amostra entre os transdutores transmissores e receptores do sistema de espectroscopia de ultrassom de ressonância, com contatos apenas nos cantos opostos da amostra.

Execute a interface de controle do sistema de ressonância dinâmica clicando duas vezes no software file DRS.exe. Defina a frequência de início, a frequência de parada e o número total de pontos de dados a serem coletados. Meça o espectro de ressonância da amostra nesta faixa de frequência à temperatura ambiente e salve o espectro em um arquivo.

Coloque a amostra entre os transdutores transmissores e receptores que já estão no forno, com contatos apenas nos cantos opostos da amostra. Em seguida, execute o software de medição do sistema de espectroscopia de ultrassom de ressonância e meça as frequências de ressonância da amostra. Em seguida, salve os resultados em um arquivo.

Aumente a temperatura da amostra com um passo de temperatura de 5 graus Celsius. Repita o passo anterior, até atingir a temperatura desejada. Para a amostra de cerâmica PZT-4, as constantes elásticas C11E, C33E e C44E aumentam com a temperatura.

Enquanto a constante elástica C12E e C13E são quase independentes da temperatura na faixa de 20 a 120 graus Celsius. Por outro lado, as constantes piezoelétricas E33, E31 e E15 são fortemente dependentes da temperatura. As constantes dialéticas medidas e as previstas calculadas com base no conjunto completo de constantes de material obtidas por este método mostram excelente concordância.

As constantes piezoelétricas D15 e D33 calculadas usando um conjunto de fórmulas e os valores calculados usando outro conjunto de fórmulas também mostram boa concordância. Esses resultados confirmam que as constantes de material do conjunto completo obtidas para a amostra de cerâmica PZT-4 são altamente autoconsistentes para a faixa de temperatura de 20 a 120 graus Celsius. Esta técnica RUS nos permite medir as propriedades completas do tensor em temperaturas elevadas com autoconsistência, o que abriu caminho para pesquisadores no campo da simulação de dispositivos explorarem a possibilidade de prever o desempenho real de dispositivos eletromecânicos, particularmente para prever a degradação do desempenho com a geração de aquecedores durante a operação.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como realizar medições de espectroscopia ultrassônica de ressonância em temperaturas elevadas. A chave é adquirir um conjunto confiável de constantes à temperatura ambiente e, em seguida, desviar a propriedade tensor completa nas altas temperaturas com base nos dados de temperatura ambiente.