Tam Set Malzeme sabitleri Karakterizasyonu ve rezonans Ultrason Spektroskopisi kullanarak Piezoelektrik Malzemelerin Onların Sıcaklık Bağımlılığı

Bu rezonans ultrasonik spektroskopi yönteminin genel amacı, tek bir numune kullanarak piezoelektrik bir malzeme için malzeme sabitlerinin tam bir setini ve bunların sıcaklık bağımlılığını ölçmektir. Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü'nün piezoelektrik standartlarında tanımlanan Empedans Yöntemi, piezoelektrik malzeme için malzeme sabitlerinin tam setini ölçmek amacıyla farklı geometrilerde 5 ila 7 numune gerektirir. Rezonans ultrasonik spektroskopi tekniğinin temel avantajı, tam tensör özelliklerinin tek bir numuneden elde edilebilmesi ve böylece numuneler arası varyasyonların neden olduğu tutarsızlıkların önlenmesidir.

Bu yöntemle elde edilen veriler, elektromekanik cihazların performansının simüle edilmesine ve daha ince sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yüksek sıcaklıklardaki performans kaybının nicelleştirilmesine olanak tanır. Öncelikle, çubuğu ve numuneyi yaklaşık 60 °C'ye ısıtarak, dikdörtgen paralel bir boruyu çok ince bir balmumu tabakası kullanarak PZT-4 seramik numuneye ve metal bir çubuğun alt yüzeyine yapıştırın. Oda sıcaklığına soğuduktan sonra, silindirin alt yüzeyi ile numunenin birlikte parlatılarak numune yüzeyinin düzlüğü garanti altına alınabilmesi için çubuğu, daha büyük bir dış çapı olan metal bir silindirin içine sıkıca yerleştirin. Bir pleksiglas plakayı musluk suyu ile ıslatın ve ıslak yüzeye 6 µm alüminyum oksit tozu serpin.

Numunenin yapıştırıldığı numune tutucuyu pleksiglas plaka üzerine yerleştirin ve numune yüzeyini düzlemek için dairesel hareketler yaparak zımparalayın. Ardından pleksiglas plakayı ve numune tutucuyu musluk suyu ile iyice yıkayın. Bunu takiben, ıslak pleksiglas plaka üzerine 3 Micron alüminyum oksit tozu serpin ve numune yüzeyini pürüzsüzleştirmek için zımparalama işlemini tekrarlayın.

Cam plakayı ve numune tutucuyu musluk suyu ile yıkayarak temizleyin. Balmumu eritmek için düzeneği yaklaşık 60 °C'ye kadar ısıtarak numuneyi tutucudan kaldırın. İşlem tamamlandığında, numune yüzeyinde kalan balmumunu aseton ile temizleyin.

15 megahertz boyuna dalga transduserini ve bir dijital osiloskopu bir pulser alıcıya bağlayın. Ardından, transduseri, araya bir miktar kuplaj gresi sürerek X yönü boyunca numune yüzeyine yerleştirin. Dijital osiloskopun kontrol panelindeki imleç tuşuna basın.

Ardından, yan menü V çubukları düğmesine basın ve birinci eko sinyalinin en yüksek tepe noktasına bir imleç çizgisini taşımak için genel amaçlı düğmeyi döndürün. Bu noktada, Seç (Select) tuşuna basın ve diğer imleç çizgisini ikinci eko sinyalindeki karşılık gelen tepe noktasına taşımak için genel amaçlı düğmeyi döndürün. Ekran üzerinde yukarı yönlü bir üçgen ile işaretlenen yerdeki sayısal değeri okuyun; bu değer, boyuna dalga darbesinin X-ekseni boyunca gidiş-dönüş uçuş süresidir.

Bir empedans analizörünü kontrol bilgisayarına bağlayın ve her ikisini de açın. Ardından, numuneyi analizöre bağlı olan fikstüre yerleştirin ve tüm düzeneği bir sıcaklık kabinine yerleştirin. Sıcaklık kabinini kapattıktan sonra, empedans analizörü panelindeki Meas tuşuna basın ve CP-D seçeneğini seçin.

Ardından, kontrol bilgisayarını kullanarak hazneyi 20 °C'ye ayarlayın. Hesap tablosu yazılımını açın ve kapasitans verilerini okuyun. Sonrasında, sonuçları bir dosyaya kaydedin.

Bunu takiben, empedans analizör panelindeki yukarı tuşuna basarak oda sıcaklığını değiştirin. Oda sıcaklığı sabitlendikten sonra, her sıcaklık artışı için önceki adımı tekrarlayın. Bu noktada, numuneyi rezonans ultrasonik spektroskopi sisteminin verici ve alıcı dönüştürücüleri arasına, yalnızca numunenin karşı köşelerinden temas edecek şekilde yerleştirin.

DRS.exe yazılım dosyasına çift tıklayarak dinamik rezonans sisteminin kontrol arayüzünü çalıştırın. Başlangıç frekansını, bitiş frekansını ve toplanacak toplam veri noktası sayısını ayarlayın. Örneği oda sıcaklığında bu frekans aralığında ölçerek rezonans spektrumunu belirleyin ve spektrumu bir dosyaya kaydedin.

Numuneyi, fırında halihazırda bulunan verici ve alıcı dönüştürücülerin arasına, yalnızca numunenin karşıt köşelerinden temas edecek şekilde yerleştirin. Ardından, rezonans ultrasonik spektroskopi sistemi ölçüm yazılımını çalıştırın ve numunenin rezonans frekanslarını ölçün. Daha sonra, sonuçları bir dosyaya kaydedin.

Numunenin sıcaklığını 5 santigrat derece'lik sıcaklık adımlarıyla artırın. İstenen sıcaklığa ulaşılana kadar önceki adımı tekrarlayın. PZT-4 seramik numunesi için C11E, C33E ve C44E elastik sabitleri sıcaklıkla birlikte artmaktadır.

C12E ve C13E elastik sabitleri 20 ila 120 santigrat derece aralığında sıcaklıktan neredeyse bağımsızdır. Öte yandan, E33, E31 ve E15 piezoelektrik sabitleri sıcaklığa güçlü bir şekilde bağımlıdır. Ölçülen dielektrik sabitleri ile bu yöntemle elde edilen malzeme sabitlerinin tam seti temel alınarak hesaplanan öngörülen değerler mükemmel bir uyum göstermektedir.

Bir formül seti kullanılarak hesaplanan D15 ve D33 piezoelektrik sabitleri ile başka bir formül seti kullanılarak hesaplanan değerler de iyi bir uyum göstermektedir. Bu sonuçlar, PZT-4 seramik numune için elde edilen tam malzeme sabitleri setinin, 20 ile 120 derece Celsius arasındaki sıcaklık aralığı için yüksek düzeyde tutarlı olduğunu doğrulamaktadır. Bu RUS tekniği, yüksek sıcaklıklarda tam tensör özelliklerini tutarlı bir şekilde ölçmemize olanak tanıyarak, cihaz simülasyonu alanındaki araştırmacıların, elektromekanik cihazların gerçek performansını, özellikle de çalışma sırasındaki ısı üretimiyle birlikte performans kaybını öngörme olasılığını araştırmalarının önünü açmıştır.

Bu videoyu izledikten sonra, yüksek sıcaklıklarda rezonans ultrasonik spektroskopi ölçümlerinin nasıl gerçekleştirileceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız. Buradaki temel nokta, oda sıcaklığında güvenilir bir sabitler seti elde etmek ve ardından yüksek sıcaklıklardaki tam tensör özelliğini oda sıcaklığı verilerine dayanarak türetmektir.