Caratterizzazione del set completo Materiale costanti ed i loro dipendenza dalla temperatura dei materiali piezoelettrici Utilizzando risonanza ultrasuoni Spectroscopy

Piombo titanato zirconato (PZT) ceramiche piezoelettriche, (1-x) PbZrO ₃ -xPbTiO _3, ed i suoi derivati ​​sono stati ampiamente utilizzati in trasduttori ad ultrasuoni, sensori e attuatori dal 1950 ^1. Molti di questi dispositivi elettromeccanici sono utilizzati a distanze elevate temperature, come per veicoli spaziali sottostruttura ben registrazione. Inoltre, dispositivi ad alta potenza, come trasduttori a ultrasuoni terapeutici, trasformatori piezoelettrici e proiettori sonar, spesso di calore durante il funzionamento. Tali aumenti di temperatura cambieranno le frequenze di risonanza e il punto focale di trasduttori, causando calo delle prestazioni. Alta intensità focalizzati tecnologia ad ultrasuoni (HIFU), già utilizzati nella pratica clinica per il trattamento di tumori, utilizza trasduttori ultrasonici in ceramica PZT. Durante il funzionamento, la temperatura di questi trasduttori aumenterà, causando un cambiamento delle costanti materiali del risuonatore PZT, che a sua volta cambiare il HIPunto focale FU nonché il ^2,3 potenza di uscita. Lo spostamento del punto focale può portare a risultati indesiderati gravi, vale a dire, i tessuti sani di essere distrutto, invece di tessuti tumorali. D'altra parte, se lo spostamento del punto focale può essere previsto, si potrebbe utilizzare disegni elettronici per correggere tale spostamento. Pertanto, misurando la dipendenza dalla temperatura del pieno proprietà del materiale insieme di materiali piezoelettrici è molto importante per la progettazione e la valutazione di molti dispositivi elettromeccanici, in particolare i dispositivi ad alta potenza.

materiali ferroelettrici poled sono i migliori materiali piezoelettrici noti oggi. In realtà, quasi tutti i materiali piezoelettrici attualmente in uso sono materiali ferroelettrici, tra cui ceramiche PZT soluzione solida e (1-x) Pb (Mg _{1/3 2/3} Nb) O ₃ -xPbTiO ₃ (PMN-PT) cristalli singoli. L'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) metodo di impedenza di risonanza richiede 5-7 campioni con drasticamente geometrie diverse, al fine di caratterizzare il materiale set completo costanti di ^4. È quasi impossibile ottenere dati di matrice set completo autoconsistenti utilizzando il metodo IEEE impedenza di risonanza per i materiali ferroelettrici perché il grado di polarizzazione dipende campione geometria (condizioni al contorno), mentre le proprietà del campione dipendono dal livello di polarizzazione. Per evitare problemi causati da campione a campione varianti, tutte le costanti devono essere misurati da un campione. Li et al. Annunciata la misurazione successo di tutte le costanti di un campione a temperatura ambiente usando una combinazione di impulsi eco ad ultrasuoni e l'impedenza inversa spettroscopia ^5. Purtroppo, questa tecnica è difficile da eseguire a temperature elevate perché non è possibile eseguire misure ultrasoniche direttamente all'interno del forno. Inoltre, non esistono trasduttori di taglio disponibili in commercio che possono lavorare ad alte temperature. Inoltre, il grasso di accoppiamento che legava il transduttore e il campione non può lavorare a temperature elevate.

In linea di principio, la tecnica RUS ha la capacità di determinare l'insieme completo costanti del materiale di materiali piezoelettrici e la loro dipendenza dalla temperatura utilizzando un solo campione ^6,7. Ma ci sono diversi passaggi critici per la corretta applicazione della tecnica RUS. In primo luogo, il set completo di proprietà tensore a temperatura ambiente deve essere determinato con precisione utilizzando una combinazione di impulsi eco e tecniche RUS. In secondo luogo, questa camera insieme di dati di temperatura può essere utilizzato per prevedere le frequenze di risonanza e per abbinare quelle misurate al fine di individuare le modalità corrispondenti. Terzo, per ogni piccolo incremento della temperatura dalla temperatura ambiente fino, si ha la necessità di effettuare la ricostruzione spettro contro lo spettro di risonanza misurata al fine di recuperare le costanti dell'insieme completo in questa nuova temperatura dallo spettro di risonanza misurata. Quindi, utilizzando i nuovi dati impostati come il nuovo punto di partenza, possiamo aumentare la temperatura da un altro passo piccolo temperatura per ottenere le costanti dell'insieme completo alla temperatura prossima. Continuando questo processo ci permetterà di ottenere la dipendenza dalla temperatura del pieno costanti del materiale insieme.

Qui, un campione piezoceramico PZT-4 è usato per illustrare la procedura di misurazione della tecnica RUS. Il poled PZT-4 in ceramica ha una simmetria ∞m con 10 costanti indipendenti materiali: 5 costanti elastiche, 3 costanti piezoelettriche e 2 costanti dielettriche. Poiché le costanti dielettriche sono insensibili alla variazione delle frequenze di risonanza, sono stati misurati separatamente utilizzando lo stesso campione. La dipendenza dalla temperatura delle costanti dielettriche bloccati e sono stati misurati direttamente dalle misure di capacità, mentre le costanti dielettriche liberiOAD / 53461 / image005.jpg "/> e misurato allo stesso tempo sono state usate come controlli di coerenza dei dati. La dipendenza dalla temperatura delle costanti rigidezza elastica in un campo elettrico costante , , , e , E le costanti di stress piezoelettrici E _15, e ₃₁ e ₃₃ e sono stati determinati mediante la tecnica RUS utilizzando lo stesso campione.