אפיון מלא סט חומר קבועים תלות בטמפרטורה שלהם עבור חומרים פייזו באמצעות ספקטרוסקופיית תהודה אולטראסאונד
Summary
This protocol describes the procedure of measuring the temperature dependence of the full set material constants of piezoelectric materials using resonant ultrasound spectroscopy (RUS).
Abstract
במהלך המבצע של מכשירים אלקטרו בהספק גבוה, עלייה בטמפרטורה היא בלתי נמנעת בשל הפסדים מכניים וחשמליים, גרימת השפלה של ביצועי המכשיר. על מנת להעריך השפלות כזה בעזרת הדמיות מחשב, תכונות חומר מטריקס מלאות בטמפרטורות גבוהות יש צורך כתשומות. קשה מאוד למדוד נתונים כאלה לחומרי ferroelectric עקב וריאצית הטבע ורכוש איזוטרופי החזקה שלהם בקרב מדגמים של גיאומטריות שונות. בגלל מידת שלילת הקוטביות היא מצב בגבול, נתונים תלויים מתקבלים על ידי ה- IEEE (מכון מהנדסי חשמל ואלקטרוניקה) טכניקת תהודת עכבה, מחייב מספר דוגמאות בגיאומטריות שונות בצורה קיצונית, בדרך כלל חסר-עקביות עצמית. בספקטרוסקופיה אולטרסאונד התהודה (RUS) הטכניקה מאפשרת קבועי החומר סט מלא כדי למדוד באמצעות דגימה אחת בלבד, אשר יכול למנוע שגיאות שנגרמו על ידי מדגם לדגום variatיוֹן. הליך RUS מפורט מודגם כאן באמצעות titanate zirconate להוביל (PZT-4) מדגם piezoceramic. בדוגמא, הסט השלם של קבועי חומר נמדד מ בטמפרטורת חדר עד 120 מעלות צלזיוס. קבועים דיאלקטריים חינם נמדד 
ו 
גם הושווה עם אלה מחושבים על בסיס נתוני סט מלא נמדד, וקבועי פיזואלקטריים ד 15 ד 33 חושבו באמצעות נוסחות שונות. הסכם מצוין נמצא המכלול של טמפרטורות, אשר אשרו את שעקיבות העצמיות של ערכת הנתונים שהשיגה RUS.
Introduction
Titanate zirconate יצוקה (PZT) קרמיקה פיזואלקטריים, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3, ונגזרותיו כבר בשימוש נרחב מתמרים קולי, חיישנים ומפעילים מאז 1950 1. רבים מהמכשירים אלקטרו אלה משמשים בטווחי טמפרטורה גבוהים, כגון לכלי רכב שטח ותהום היטב בכניסה. יתר על כן, מכשירים בהספק גבוהים, כגון מתמרים טיפוליים אולטראסאונד, שנאי פיזואלקטריים ומקרנים סונאר, לעתים קרובות התחממות במהלך מבצע. עליות בטמפרטורה כזו תשנה את תדרי התהודה ואת מוקד של מתמרים, גרימת ירידה בביצועים חמורה. ממוקד בעוצמה גבוהה אולטרסאונד (HIFU) הטכנולוגיה, כבר בשימוש בקליניקה לטיפול בגידולים, משתמשת מתמרים קולי עשויים קרמיקה PZT. במהלך המבצע, הטמפרטורה של מתמרים אלה יגדל, גרימת שינוי של קבועי החומר של מהוד PZT, אשר בתורו יהיה לשנות את HIFU מוקד וכן 2,3 הספק. המעבר של מוקד עלול להוביל לתוצאות לא רצויות רציניות, כלומר, רקמות בריאות נהרסות במקום רקמות סרטן. מצד השני, אם משמרת המוקד ניתן לחזות, אפשר להשתמש עיצובים אלקטרוניים לתיקון שינוי שכזה. לכן, מדידת התלות בטמפרטורה של תכונות חומר סט המלאות של חומרים פיזואלקטריים חשובה מאוד עבור העיצוב וההערכה של מכשירים רבים אלקטרו, במיוחד מכשירים בהספק גבוה.
חומרי ferroelectric נדחפים במוט הם החומרים פיזואלקטריים הטובים ביותר הידוע כיום. למעשה, כמעט כל חומרי פיזואלקטריים כיום בשימוש הם חומרים ferroelectric, כולל קרמיקה PZT פתרון מוצק (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) גבישים יחידים. ה- IEEE (המכון למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה) שיטת תהודה עכבה דורש 5-7 דגימות עם drastiגיאומטריות שונות קאלי כדי לאפיין את חומר סט המלא קבועות 4. זה כמעט בלתי אפשרי להשיג נתונים מטריקס סט מלא עצמיים עקבי בשיטת תהודת עכבת IEEE לחומרי ferroelectric כי מידת poling תלויה בגיאומטריה המדגמת (תנאי שפה), ואילו תכונות מדגמות תלויות ברמת poling. כדי למנוע בעיות הנגרמות על ידי מדגם לדגום וריאציות, כל הקבועים צריכים להימדד ממדגם אחד. Li et al. דיווח המדידה המוצלחת של כל הקבועים ממדגם אחד בטמפרטורת חדר באמצעות שילוב של אולטרסאונד הדופק-הד עכבת ההופכי ספקטרוסקופיה 5. למרבה הצער, טכניקה זו היא קשה לבצע בטמפרטורות גבוהות כי זה לא ניתן לבצע מדידות קוליות ישירות בתוך הכבשן. ישנם גם לא מתמר גזירה זמינה מסחרי שיכול לעבוד בטמפרטורות גבוהות. בנוסף, גריז צימוד שקשרה הטרנסducer ואת המדגם לא יכול לעבוד בטמפרטורות גבוהות.
באופן עקרוני, את טכניקת RUS יש לו את היכולת לקבוע את קבועי חומר סט המלאים של חומרים פיזואלקטריים ותלות הטמפרטורה שלהם באמצעות דגימה אחת בלבד 6,7. אבל ישנם מספר צעדים קריטיים עבור יישום נאות של טכניקת RUS. ראשית, הסט המלא של תכונות מותחות בטמפרטורת חדר צריך להיקבע באופן מדויק באמצעות שילוב של-הד דופק וטכניקות RUS. שנית, סט נתונים בטמפרטורת חדר זה יכול לשמש כדי לחזות את תדרי תהודה כדי להתאים לאלה שנמדדו על מנת לזהות את המצב המקביל. שלישית, עבור כל תוספת קטנה של טמפרטורה מ עד בטמפרטורת חדר, צריך לבצע שחזור ספקטרום נגד ספקטרום התהודה מדוד על מנת לאחזר את קבועי סט המלאים בטמפרטורה החדשה הזה מספקטרום התהודה הנמדד. לאחר מכן, באמצעות הנתונים החדשים להגדיר כנקודת ההתחלה החדשה, אנחנו יכולים להעלות את הטמפרטורה על ידי צעד נוסף טמפרטורה קטנה כדי לקבל את קבועי סט המלאים בטמפרטורה הבאה. בהמשך לתהליך זה יאפשר לנו לקבל את התלות בטמפרטורה של קבועי חומר סט המלאים.
כאן, מדגם piezoceramic PZT-4 משמש כדי להמחיש את הליך המדידה של הטכניקה RUS. ממצא PZT-4 הנדחפות במוט יש סימטרית ∞m עם 10 קבועי חומר עצמאיים: 5 קבועים אלסטיים, 3 קבועות פיזואלקטריים ו -2 קבועים דיאלקטריים. מכיוון קבועים דיאלקטריים אינם רגישים לשינוי תדרים תהודה, הם נמדדו בנפרד באמצעות מדגם זהה. התלות בטמפרטורה של קבועים דיאלקטריים הידק 
ו 
נמדדו ישירות מדידות קיבול, בעוד קבועים דיאלקטריים חינםoad / 53,461 / image005.jpg "/> ו נמדד בו זמנית שימשו בדיקות עקביות הנתונים. התלות בטמפרטורה של קבועים קשיחים אלסטית על שדה חשמלי קבוע 
, 
, 
, 
ו 
וקבועים מתח פיזואלקטריים דואר 15, 31 דואר ודואר 33 נקבעו על ידי טכניקה RUS באמצעות מדגם זהה.
Protocol
Representative Results
Discussion
טכניקת RUS המתואר כאן ניתן למדוד את קבועי חומר סט מלא רק באמצעות דגימה אחת, אשר מבטלת שגיאות שנגרמו על ידי וריאצית רכוש ממדגם לדגום כך שעקיבות עצמיות ניתן להבטיח. השיטה יכולה לשמש לכל חומר מוצק עם Q גורם באיכות גבוהה, לא משנה אם הם פיזואלקטריים או לא. כל טכניקות האפיון קי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11374245), the NIH under Grant No. P41-EB2182, the Natural Science Foundation of Fujian Province, China (Grant No. 2013J01163), and the Open Research Fund of the State Key Laboratory of Acoustics, Chinese Academy of Science (Grant No. SKLA201306).
Materials
| PZT-4 | TRS | |
| paraffin | MTI Corporation | 8002-74-2 |
| conductive silver paint | MG Chemicals | 842-20G |
| Al2O3 Powder | MTI Corporation | |
| coupling grease | Panametrics |
References
- Jaffe, B., Cook, W. R., Jaffe, H. . Piezoelectric Ceramics. , (1971).
- Chaussy, C., Thuroff, S., Rebillard, X., Gelet, A. Technology insight: High-intensity focused ultrasound for urologic cancers. Nat. Clin. Pract. Urol. 2, 191-198 (2005).
- Haar, G. T., Coussios, C. High intensity focused ultrasound: physical principles and devices. Int. J. Hyperthermia. 23, 89-104 (2007).
- Topolov, V. Y. Comment on “Complete sets of elastic, dielectric, and piezoelectric properties of flux-grown [011]-poled Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(28-32)% PbTiO3 single crystals”. Appl. Phys. Lett. 96, 196101 (2010).
- Li, S. Y., et al. Characterization of full set material constants of piezoelectric materials based on ultrasonic method and inverse impedance spectroscopy using only one sample. J. Appl. Phys. 114, 104505 (2013).
- Ohno, I. Rectangular parallellepiped resonance method for piezoelectric crystals and elastic constants of alpha-quartz. Phys. Chem. Miner. 17, 371-378 (1990).
- Ogi, H., Kawasaki, Y., Hirao, M., Ledbetter, H. Acoustic spectroscopy of lithium niobate: Elastic and piezoelectric coefficients. J. Appl. Phys. 92, 2451 (2002).
- Pujol, J. The solution of nonlinear inverse problems and the Levenberg-Manquardt method. Geophysics. 72, 1-16 (2007).
- Moré, J. J., Garbow, B. S., Hillstrom, K. E. User Guide for MINPACK-1. Argonne National Laboratories Report ANL-80-74. , (1980).
- Tang, L. G., Cao, W. W. Temperature dependence of self-consistent full matrix material constants of lead zirconate titanate ceramics. Appl. Phys. Lett. 106, 052902 (2015).
- Topolov, V. Y., Bowen, C. R. Inconsistencies of the complete sets of electromechanical constants of relaxor-ferroelectric single crystals. J. Appl. Phys. 109, 094107 (2011).
- Berlincourt, D., Krueger, H. H. A. . Properties of Morgan Electroceramic ceramics. Technique publication TP-226. , (2000).
- Migliori, A., Sarrao, J. L. . Resonant ultrasound spectroscopy. , (1997).
- Zadler, B. J., Le Rousseau, J. H. L., Scales, J. A., Smith, M. L. Resonant ultrasound spectroscopy: Theory and application. Geophys. J. Int. 156, 154-169 (2004).
