Caracterização do conjunto completo de constantes do material e sua dependência de temperatura para materiais piezoelétricos Usando Resonant Ultrasound Spectroscopy

Titanato zirconato de chumbo (PZT) cerâmicas piezoeléctricas, (1-x) PbZrO ₃ -xPbTiO _3, e os seus derivados têm sido amplamente utilizados em transdutores ultra-sónicos, sensores e actuadores, uma vez a 1950 ^um. Muitos destes dispositivos eletromecânicos são usadas em faixas de alta temperatura, como por veículos espaciais e subterrâneos bem login. Além disso, os dispositivos de alta potência, tais como transdutores de ultra-sons terapêuticos, transformadores piezoelétricos e projetores sonar, muitas vezes de aquecimento durante a operação. Tais aumentos de temperatura vai mudar as frequências de ressonância e o ponto focal dos transdutores, causando grave degradação do desempenho. Alta intensidade ultra-som focado tecnologia (HIFU), já utilizado na prática clínica para o tratamento de tumores, utiliza transdutores de cerâmica PZT. Durante a operação, a temperatura destes transdutores irá aumentar, causando uma alteração das constantes de material do ressonador PZT, o qual por sua vez mudará o HIPonto focal FU, bem como a potência de saída ^{de 2,3.} A mudança do ponto focal pode levar a resultados indesejáveis ​​graves, ou seja, os tecidos saudáveis ​​sendo destruídas em vez de tecidos de câncer. Por outro lado, se o deslocamento do ponto focal pode ser previsto, pode-se usar modelos electrónicos para corrigir essa mudança. Portanto, medir a dependência da temperatura do total de propriedades do material conjunto de materiais piezoeléctricos é muito importante para a concepção e avaliação de muitos dispositivos eletromecânicos, particularmente dispositivos de alta potência.

materiais ferroelétricos Poled são os melhores materiais piezoelétricos conhecidos hoje. Na verdade, quase todos os materiais piezoeléctricos atualmente em uso são materiais ferroelétricos, incluindo cerâmicas de PZT solução sólida e (1-x) Pb (Mg _1/3 Nb _2/3) O ₃ -xPbTiO ₃ (PMN-PT) cristais individuais. O IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) método de ressonância impedância requer 5-7 amostras com drasticamente diferentes geometrias, a fim de caracterizar o material conjunto completo constantes ^4. É quase impossível a obtenção de dados do conjunto de matriz completa auto-consistente, utilizando o método de ressonância IEEE impedância de materiais ferroeléctricos, porque o grau de Poling depende da geometria da amostra (condições de contorno), enquanto as propriedades de amostra dependem do nível de Poling. Para evitar problemas causados ​​por amostra para amostra variações, todas as constantes devem ser medidos a partir de uma amostra. Li et ai. Relataram a medição bem sucedida de todas as constantes de uma amostra à temperatura ambiente, usando uma combinação de ultra-som de pulso-eco e impedância inversa espectroscopia ^5. Infelizmente, esta técnica é difícil de realizar, a temperaturas elevadas, porque não é possível executar medições de ultra-sons directamente dentro do forno. Também não há transdutores de corte disponíveis no mercado que podem trabalhar em altas temperaturas. Além disso, a massa de acoplamento que se ligou o transprodutor e a amostra não pode trabalhar em altas temperaturas.

Em princípio, a técnica RUS tem a capacidade de determinar as constantes materiais conjunto completo de materiais piezoelétricos e sua dependência da temperatura usando apenas uma amostra ^6,7. Mas há vários passos críticos para a correcta aplicação da técnica RUS. Primeiro, o conjunto completo de propriedades tensor à temperatura ambiente deve ser determinado com precisão usando uma combinação de técnicas RUS pulso-eco e. Em segundo lugar, este quarto conjunto de dados de temperatura pode ser utilizado para prever as frequências de ressonância e para corresponder aos medidos a fim de identificar os modos correspondentes. Em terceiro lugar, para cada pequeno incremento de temperatura desde a temperatura ambiente até, é necessário para executar a reconstrução do espectro em relação ao espectro de ressonância medida, a fim de recuperar as constantes conjunto completas, nesta nova temperatura a partir do espectro de ressonância medida. Então, usando o novo conjunto de dados como o novo ponto de partida, podemos aumentar a temperatura por mais um passo de temperatura pequena para obter as constantes de jogo completas para o próximo da temperatura. Continuando este processo irá permitir-nos obter a dependência da temperatura das constantes materiais conjunto completo.

Aqui, uma amostra piezocerâmico PZT-4 é usado para ilustrar o processo de medição da técnica rus. O poled PZT-4 cerâmico tem simetria ∞m com 10 constantes independentes do material: 5 constantes elásticas, 3 constantes piezoeléctricos 2 e constantes dieléctricas. Uma vez que as constantes dieléctricas são insensíveis à mudança das frequências de ressonância, que foram medidos separadamente usando a mesma amostra. A dependência da temperatura de constantes dielétricas apertadas e foram medidas directamente a partir das medições de capacitância, enquanto as constantes dieléctricas livresoad / 53461 / image005.jpg "/> e medida ao mesmo tempo foram usados ​​como controlos de consistência de dados. A dependência da temperatura de constantes de rigidez elástica a um campo eléctrico constante , , , e , E as constantes de tensão piezoeléctricos E _15, E ₃₁ e E ₃₃ foram determinados pela técnica RUS usando a mesma amostra.