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 состоит в том, чтобы измерить полный набор констант материала и их температурную зависимость для пьезоэлектрического материала с использованием всего одного образца. Метод импеданса, определенный в пьезоэлектрических стандартах Института инженеров по электротехнике и электронике, требует от 5 до 7 образцов различной геометрии для измерения полного набора постоянной материала для пьезоэлектрического материала. Основное преимущество метода резонансной ультразвуковой спектроскопии заключается в том, что из одного образца можно получить полные тензорные свойства, избегая несогласованности, вызванной вариациями образца к образцу.

Данные, полученные с помощью этого метода, позволяют моделировать производительность электромеханических устройств и количественно оценивать снижение производительности при более высоких температурах с использованием метода более мелких элементов. Сначала приклейте прямоугольную параллельную трубу к керамическому образцу PZT-4 к нижней поверхности металлического стержня с помощью очень тонкого слоя воска, нагрев стержень и образец примерно до 60 градусов Цельсия. После охлаждения до комнатной температуры плотно вставьте стержень в металлический цилиндр с большим наружным диаметром, чтобы нижняя поверхность цилиндра и образца могла быть отполирована вместе, чтобы гарантировать ровность поверхности образца Смочите пластину из плексигласа водой из-под крана и посыпьте влажную поверхность порошком оксида алюминия размером 6 микрон.

Поместите держатель для образцов с приклеенным к нему образцом на пластину из плексигласа и сделайте круговые движения, чтобы измельчить образец для обслуживания. Затем тщательно промойте пластину из плексигласа и держатель для образцов водой из-под крана. После этого посыпьте порошок оксида алюминия 3 микрона на влажную пластину из оргстекла и повторите шлифовку, чтобы сгладить поверхность образца.

Промойте стеклянную пластину и держатель для образцов водой из-под крана. Снимите образец с держателя, нагрев узел примерно до 60 градусов Цельсия, чтобы расплавить воск. По окончании удалите остатки воска с поверхности образца с помощью ацетона.

Подключите преобразователь продольных волн с частотой 15 мегагерц и цифровой осциллограф к приемнику язвы. Затем поместите преобразователь на поверхность образца по оси X с небольшим количеством смазки для муфт между ними. Нажмите клавишу курсора на панели управления цифрового осциллографа.

Затем нажмите кнопку бокового меню V bars и поверните ручку общего назначения, чтобы переместить одну линию курсора к наивысшему пику первого эхо-сигнала. В этот момент нажмите клавишу Select и поверните ручку общего назначения, чтобы переместить другую линию курсора к соответствующему пику второго эхо-сигнала. Считывайте числовое значение в месте, отмеченном на экране треугольником вверх, которое представляет собой время полета продольного волнового импульса вдоль оси X.

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

Далее установите камеру на 20 градусов Цельсия, с помощью управляющего компьютера. Откройте программу для работы с электронными таблицами и прочитайте данные о емкости. Затем сохраните результаты в файл.

После этого измените температуру камеры, нажав клавишу вверх на панели анализатора импеданса. Повторяйте предыдущий шаг для каждого приращения температуры, после того как температура в камере станет стабильной. На этом этапе поместите образец между передающим и приемным преобразователями системы резонансной ультразвуковой спектроскопии, контактируя только в противоположных углах образца.

Запустите интерфейс управления системой динамического резонанса, дважды кликнув по файлу программного обеспечения DRS.exe. Задайте начальную частоту, конечную частоту и общее количество точек данных, которые необходимо собрать. Измерьте резонансный спектр образца в этом диапазоне частот при комнатной температуре, и сохраните спектр в файл.

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

Увеличьте температуру образца с температурным шагом 5 градусов Цельсия. Повторяйте предыдущий шаг, пока не будет достигнута нужная температура. Для образца керамики PZT-4 упругие константы C11E, C33E и C44E увеличиваются с температурой.

В то время как упругие постоянные C12E и C13E практически не зависят от температуры в диапазоне от 20 до 120 градусов по Цельсию. С другой стороны, пьезоэлектрические постоянные E33, E31 и E15 сильно зависят от температуры. Измеренные диалектические константы и предсказанные, рассчитанные на основе полного набора материальных констант, полученных этим методом, демонстрируют отличное согласие.

Пьезоэлектрические постоянные D15 и D33, рассчитанные с использованием одного набора формул, и значения, рассчитанные с использованием другого набора формул, также показывают хорошее согласие. Эти результаты подтверждают, что константы полного набора материала, полученные для образца керамики PZT-4, являются высокосамосогласованными в диапазоне температур от 20 до 120 градусов Цельсия. Этот метод RUS позволяет измерять полные тензорные свойства при повышенных температурах с самосогласованностью, что открыло путь исследователям в области моделирования устройств к изучению возможности прогнозирования реальной производительности электромеханических устройств, в частности, для прогнозирования ухудшения производительности при генерации нагревателя во время работы.

После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как выполнять измерения резонансной ультразвуковой спектроскопии при повышенных температурах. Ключ в том, чтобы получить надежный набор констант при комнатной температуре, а затем отклонить полное тензорное свойство при высоких температурах на основе данных о комнатной температуре.