Caractérisation des matériaux Ensemble complet Constantes et leur dépendance de la température pour piézoélectriques matériaux utilisant Resonant Ultrasound Spectroscopy

Titanate de plomb zirconate (PZT) , de la céramique piézo – électrique (1-x) PbZrO ₃ -xPbTiO ₃ et ses dérivés ont été largement utilisés dans les transducteurs à ultrasons, des capteurs et des actionneurs ¹ depuis les années 1950. Beaucoup de ces dispositifs électromécaniques sont utilisés à des plages de températures élevées, comme pour les véhicules spatiaux et souterraines des puits. En outre, les dispositifs de forte puissance, tels que des transducteurs à ultrasons thérapeutiques, les transformateurs piézo-électriques et des projecteurs sonar, souvent la chaleur pendant le fonctionnement. Ces augmentations de température vont changer les fréquences de résonance et le point focal de transducteurs, provoquant une grave dégradation des performances. Haute intensité ultrasons focalisés (HIFU) la technologie, déjà utilisée en pratique clinique pour le traitement des tumeurs, utilise des transducteurs à ultrasons de la céramique PZT. Pendant le fonctionnement, la température de ces capteurs augmente, ce qui provoque une modification des constantes matérielles du résonateur PZT, qui à son tour modifiera la HIFU point focal, ainsi que le ^2,3 de puissance de sortie. Le déplacement du point focal peut conduire à des résultats indésirables graves, à savoir, les tissus sains étant détruits au lieu de tissus cancéreux. D'autre part, si le changement de point focal peut être prédit, on pourrait utiliser des modèles électroniques pour corriger tel changement. Par conséquent, la mesure de la dépendance de la température de l'ensemble des propriétés complètes matérielles de matériaux piézoélectriques est très important pour la conception et l'évaluation de nombreux appareils électromécaniques, en particulier des dispositifs de haute puissance.

matériaux ferroélectriques polarisés sont les meilleurs matériaux piézoélectriques connus aujourd'hui. En fait, presque tous les matériaux piézoélectriques actuellement utilisés sont des matériaux ferroélectriques, y compris solution solide céramiques PZT et (1-x) Pb (Mg _1/3 Nb _2/3) O ₃ -xPbTiO ₃ (PMN-PT) monocristaux. L'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) méthode de résonance de l'impédance nécessite 5-7 échantillons avec Drastiquement différentes géométries afin de caractériser le matériau ensemble complet constantes ^4. Il est presque impossible d'obtenir des données de la matrice de jeu complet auto-cohérentes en utilisant la méthode de résonance de l'impédance IEEE pour les matériaux ferroélectriques parce que le degré de polarisation dépend de l'échantillon géométrie (conditions aux limites), tandis que les propriétés de l'échantillon dépendent du niveau de polarisation. Pour éviter les problèmes causés par un échantillon à des variations, toutes les constantes doivent être mesurées à partir d'un échantillon. Li et al. , Rapporte la mesure réussie de toutes les constantes d'un échantillon à température ambiante en utilisant une combinaison de spectroscopie d'écho d'impulsion à ultrasons et l' impédance inverse ^5. Malheureusement, cette technique est difficile à effectuer à des températures élevées, car il est impossible d'effectuer des mesures ultrasoniques directement à l'intérieur du four. Il existe également des capteurs sans cisaillement disponibles dans le commerce qui peuvent fonctionner à des températures élevées. En outre, la graisse de couplage qui lie la transducteur et l'échantillon ne peut pas fonctionner à des températures élevées.

En principe, la technique RUS a la capacité de déterminer les constantes de matériau ensemble complet de matériaux piézoélectriques et leur dépendance à l' égard de la température à l' aide d' un seul échantillon ^6,7. Mais il y a plusieurs étapes essentielles pour la mise en œuvre correcte de la technique RUS. Tout d'abord, l'ensemble des propriétés de tenseur à la température ambiante doit être déterminée avec précision en utilisant une combinaison d'impulsions d'écho et techniques RUS. Deuxièmement, cette température ambiante ensemble de données peut être utilisé pour prédire les fréquences de résonance et pour correspondre à celles mesurées dans le but d'identifier les modes correspondants. Troisièmement, pour chaque petite augmentation de la température de la température ambiante jusqu'à, il faut effectuer la reconstruction du spectre contre le spectre de résonance mesurée afin de récupérer les constantes de jeu complet à cette nouvelle température à partir du spectre de résonance mesurée. Puis, en utilisant les nouvelles données définies comme le nouveau point de départ, nous pouvons augmenter la température par une autre petite étape de température pour obtenir les constantes de jeu complet à la température suivante. Poursuivant ce processus nous permettra d'obtenir la dépendance en température des constantes pleines de matériaux de jeu.

Ici, un échantillon piézocéramique PZT-4 est utilisée pour illustrer la méthode de mesure de la technique RUS. Le PZT-4 polarisé en céramique présente une symétrie ∞m avec 10 constantes indépendantes de matériau: 5 constantes élastiques, 3 constantes piézoélectriques et 2 des constantes diélectriques. Du fait que les constantes diélectriques ne sont pas sensibles à la variation des fréquences de résonance, ils ont été mesurés séparément à l'aide du même échantillon. La dépendance en température des constantes diélectriques pincés et ont été mesurées directement à partir des mesures de capacité, alors que les constantes diélectriques libresoad / 53461 / image005.jpg "/> et mesurée en même temps, ont été utilisés comme des contrôles de cohérence des données. La dépendance en température des constantes de raideur élastique à un champ électrique constant , , , et Et des constantes de contrainte piézo – électriques E _15, E ₃₁ et E ₃₃ ont été déterminées par la technique RUS en utilisant le même échantillon.