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 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 ambiente, encaixe firmemente a haste em um cilindro metálico com diâmetro externo maior, de modo que a superfície inferior do cilindro e a amostra possam ser polidas juntas, garantindo a planicidade da superfície da amostra. Umedeça uma placa de plexiglass com água da torneira e espalhe pó de óxido de alumínio de 6 mícrons sobre a superfície úmida.

Coloque o suporte de amostra com a amostra colada sobre ele na placa de plexiglass e faça um movimento circular para lixar a superfície da amostra, deixando-a plana. Em seguida, lave bem a placa de plexiglass e o suporte de amostra com água da torneira. Depois disso, polvilhe pó de óxido de alumínio de 3 Micron sobre a placa de plexiglass úmida e repita a lixagem para suavizar a superfície da amostra.

Lave a placa de vidro e o suporte da amostra com água corrente. Retire a amostra do suporte aquecendo o conjunto a cerca de 60 graus Celsius para derreter a cera. Ao final, remova a cera restante da superfície da amostra com acetona.

Conecte um transdutor longitudinal de 15 megahertz e um osciloscópio digital a um receptor pulsador. Em seguida, posicione o transdutor sobre a superfície da amostra ao longo da direção X, com um pouco de graxa acopladora entre eles. Pressione a tecla de cursor no painel de controle do osciloscópio digital.

Em seguida, pressione o botão do menu lateral V barras e gire o botão de uso geral para mover uma linha de cursor até o pico mais alto do primeiro sinal de eco. Nesse momento, pressione a tecla Selecionar e gire o botão de uso geral para mover a outra linha de cursor até o pico correspondente no segundo sinal de eco. Leia o valor numérico no local marcado com um triângulo voltado para cima na tela, que representa o tempo 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 suporte conectado ao analisador e coloque todo o conjunto dentro de uma câmara de temperatura. Após 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, utilizando o computador de controle. Abra o software de planilha eletrônica e leia os dados de capacitância. Depois, 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 o passo anterior para cada incremento de temperatura, após a temperatura da câmara se estabilizar. Neste momento, posicione a amostra entre os transdutores transmissor e receptor do sistema de espectroscopia de ultrassom por ressonância, com contato apenas nos cantos opostos da amostra.

Execute a interface de controle do sistema de ressonância dinâmica clicando duas vezes no arquivo de software DRS.exe. Defina a frequência inicial, a frequência final 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 transmissor e receptor que já estão no forno, com contato apenas nos cantos opostos da amostra. Em seguida, execute o software de medição do sistema de espectroscopia ultrassônica por ressonância e meça as frequências de ressonância da amostra. Depois, salve os resultados em um arquivo.

Aumente a temperatura da amostra com um incremento térmico 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.

Embora a constante elástica C12E e C13E sejam praticamente 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 dielétricas 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 o conjunto completo de constantes do material obtido para a amostra de cerâmica PZT-4 é altamente autoconsistente na faixa de temperatura de 20 a 120 graus Celsius. Essa técnica RUS permite medir as propriedades tensoriais completas em temperaturas elevadas com autoconsistência, o que abriu caminho para pesquisadores na área de 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 calor durante a operação.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como realizar medições de espectroscopia ultrassônica por ressonância em temperaturas elevadas. O ponto fundamental é obter um conjunto confiável de constantes à temperatura ambiente e, em seguida, determinar o tensor completo de propriedades nas altas temperaturas com base nos dados obtidos à temperatura ambiente.