Характеристика полный набор материальных констант и их зависимости от температуры для пьезоэлектрических материалов с помощью резонансной ультразвуковой спектроскопии

Общая цель данного метода резонансной ультразвуковой спектроскопии заключается в измерении полного набора констант материала и их температурной зависимости для пьезоэлектрика с использованием всего одного образца. Метод импеданса, определенный в стандартах Института инженеров электротехники и электроники (IEEE), требует от 5 до 7 образцов различной геометрии для измерения полного набора констант пьезоэлектрического материала. Основным преимуществом метода резонансной ультразвуковой спектроскопии является возможность получения полных тензорных свойств на основе одного образца, что позволяет избежать погрешностей, вызванных различиями между отдельными образцами.

Данные, полученные этим методом, позволяют моделировать работу электромеханических устройств и количественно оценивать снижение их производительности при повышенных температурах с использованием метода конечных элементов. Сначала приклейте прямоугольную параллельную трубку к образцу керамики PZT-4 на нижней поверхности металлического стержня, используя очень тонкий слой воска, предварительно нагрев стержень и образец примерно до 60 °C. После охлаждения до комнатной температуры плотно вставьте стержень в металлический цилиндр с большим внешним диаметром, чтобы нижнюю поверхность цилиндра и образца можно было полировать совместно для обеспечения плоскостности поверхности образца. Смочите пластину из оргстекла водопроводной водой и рассыпьте на влажную поверхность порошок оксида алюминия с фракцией 6 мкм.

Поместите держатель с приклеенным к нему образцом на плексигласовую пластину и совершайте круговые движения, чтобы выровнять поверхность образца путем шлифовки. Затем тщательно промойте плексигласовую пластину и держатель образца проточной водой. После этого рассыпьте порошок оксида алюминия с размером частиц 3 Micron на влажную плексигласовую пластину и повторите шлифовку для сглаживания поверхности образца.

Промойте стеклянную пластину и держатель образца проточной водой до полного очищения. Снимите образец с держателя, нагрев всю сборку примерно до 60 °C, чтобы расплавить воск. По завершении удалите остатки воска с поверхности образца с помощью ацетона.

Подключите датчик продольных волн с частотой 15 megahertz и цифровой осциллограф к импульсно-приемному устройству. Затем поместите датчик на поверхность образца вдоль направления X, нанеся между ними немного контактной смазки. Нажмите клавишу курсора на панели управления цифрового осциллографа.

Затем нажмите кнопку бокового меню V bars и вращайте универсальный регулятор, чтобы переместить одну курсорную линию на самый высокий пик первого эхо-сигнала. После этого нажмите клавишу Select и вращайте универсальный регулятор, чтобы переместить вторую курсорную линию на соответствующий пик во втором эхо-сигнале. Считайте числовое значение в области, отмеченной на экране треугольником, направленным вверх; это значение представляет собой время туда-обратно прохождения импульса продольной волны вдоль оси X.

Подключите анализатор импеданса к управляющему компьютеру и включите оба устройства. Затем поместите образец в зажим, подключенный к анализатору, и установите всю сборку в термокамеру. После закрытия термокамеры нажмите клавишу Meas на панели анализатора импеданса и выберите CP-D.

Затем с помощью управляющего компьютера установите температуру в камере на 20 °C. Откройте программу для работы с электронными таблицами и считайте данные о емкости. После этого сохраните результаты в файл.

После этого измените температуру в камере, нажав клавишу «вверх» на панели анализатора импеданса. Повторяйте предыдущий шаг для каждого температурного интервала после стабилизации температуры в камере. На этом этапе поместите образец между передающим и приемным преобразователями системы резонансной ультразвуковой спектроскопии так, чтобы контакт осуществлялся только в противоположных углах образца.

Запустите интерфейс управления системы динамического резонанса, дважды щелкнув по исполняемому файлу DRS.exe. Установите начальную частоту, конечную частоту и общее количество собираемых точек данных. Измерьте резонансный спектр образца в данном диапазоне частот при комнатной температуре и сохраните спектр в файл.

Поместите образец между передающим и приемным преобразователями, которые уже находятся в печи, так, чтобы контакты располагались только в противоположных углах образца. После этого запустите программное обеспечение системы резонансной ультразвуковой спектроскопии и измерьте резонансные частоты образца. Затем сохраните результаты в файл.

Повышайте температуру образца с шагом 5 °C. Повторяйте предыдущий шаг до достижения требуемой температуры. Для керамического образца PZT-4 значения констант упругости C11E, C33E и C44E увеличиваются с ростом температуры.

В то время как константы упругости C12E и C13E почти не зависят от температуры в диапазоне от 20 до 120 °C, пьезоэлектрические константы E33, E31 и E15 проявляют сильную температурную зависимость. Измеренные значения диэлектрических проницаемостей и предсказанные значения, рассчитанные на основе полного набора констант материала, полученных данным методом, демонстрируют отличное соответствие.

Пьезоэлектрические константы D15 и D33, рассчитанные с использованием одного набора формул, и значения, рассчитанные с помощью другого набора формул, также демонстрируют хорошее соответствие. Эти результаты подтверждают, что полный набор констант материала, полученный для образца керамики PZT-4, является высокосамосогласованным в диапазоне температур от 20 до 120 градусов Цельсия. Данный метод RUS позволяет измерять полные тензорные свойства при повышенных температурах с соблюдением самосогласованности, что открыло исследователям в области моделирования устройств возможность изучить перспективу прогнозирования реальных рабочих характеристик электромеханических устройств, в частности, прогнозирования снижения производительности из-за тепловыделения в процессе работы.

После просмотра этого видео вы должны будете хорошо понимать, как проводить измерения методом резонансной ультразвуковой спектроскопии при повышенных температурах. Ключевым моментом является получение надежного набора констант при комнатной температуре с последующим вычислением полного тензора свойств при высоких температурах на основе данных, полученных при комнатной температуре.