Характеристика полный набор материальных констант и их зависимости от температуры для пьезоэлектрических материалов с помощью резонансной ультразвуковой спектроскопии

Цирконата – титаната свинца (ЦТС) пьезокерамические, (1-х) PbZrO ₃ -xPbTiO _3, и его производные широко используются в ультразвуковых датчиков, датчиков и исполнительных устройств начиная с 1950 – х годов ^1. Многие из этих электромеханических устройств используются при высоких температурных диапазонах, например, для космических аппаратов и под землей для каротажа скважин. Кроме того, высокие силовые устройства, такие как терапевтические ультразвуковые преобразователи, пьезоэлектрических преобразователей и гидроакустических проекторов, часто разогревается во время работы. Такие повышение температуры приведет к изменению резонансных частот и средоточие преобразователей, вызывая серьезные ухудшения производительности. Высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука технологии (HIFU-терапия), уже используется в клинической практике для лечения опухолей, использует ультразвуковые преобразователи, изготовленные из керамики ЦТС. Во время работы температура этих преобразователей будет возрастать, что приводит к изменению материальных констант ЦТС резонатора, что в свою очередь изменит HIФУ координационный центр, а также ^2,3 выходная мощность. Сдвиг координационного центра может привести к серьезным нежелательным результатам, т.е. здоровые ткани уничтожаются вместо раковых тканей. С другой стороны, если точка смещения фокальной может быть предсказано, можно было бы использовать электронные конструкции для того чтобы исправить такой сдвиг. Таким образом, измерения температурной зависимости полного набора свойств материала пьезоэлектрических материалов очень важна для разработки и оценки многих электромеханических устройств, особенно мощных устройств.

Сегнетопьезокерамик материалы являются лучшими пьезоэлектрические материалы, известные на сегодняшний день. На самом деле, почти все пьезоэлектрические материалы используются в настоящее время сегнетоэлектрических материалов, в том числе твердый раствор ЦТС керамики и (1-х) Pb (Mg _1/3 Nb _2/3) O ₃ -xPbTiO ₃ (ПМН-СТ) монокристаллов. IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) Метод импеданса резонанса требует 5-7 образцов с Драштически различных геометрий для того , чтобы охарактеризовать полный набор материальных констант ^4. Это почти невозможно, чтобы получить самосогласованные данные полного набора матриц с использованием метода IEEE импеданса резонанса для сегнетоэлектрических материалов, так как степень полюсировкой зависит от геометрии образца (граничные условия), в то время как образец свойства зависят от уровня полюсировкой. Для того, чтобы избежать проблем, вызванных образца к образцу вариации, все константы должны измеряться от одного образца. Ли и др. Сообщили об успешном измерение всех констант из одного образца при комнатной температуре с использованием комбинации импульсного эхо-ультразвука и обратного импедансной спектроскопии ^5. К сожалению, этот метод трудно выполнить при повышенных температурах, так как это не представляется возможным выполнять ультразвуковых измерений непосредственно внутри печи. Там также отсутствуют коммерчески доступные датчики сдвига, которые могут работать при высоких температурах. Кроме того, муфта смазка, которая связана трансзователь и образец не может работать при высоких температурах.

В принципе, техника RUS имеет возможность определить полный набор материальных констант пьезоэлектрических материалов и их температурной зависимости , используя только один образец ^6,7. Но есть несколько важных шагов для надлежащего выполнения техники RUS. Во-первых, полный набор тензорных свойств при комнатной температуре должна быть точно определена с использованием комбинации эхо-импульсных и методов RUS. Во-вторых, номер набора данных температуры могут быть использованы для прогнозирования резонансных частот и соответствовать измеренным для того, чтобы идентифицировать соответствующие режимы. В-третьих, для каждого малого приращения температуры от комнатной до температуры, необходимо выполнить восстановление спектра к измеряемому резонансного спектра для того, чтобы восстановить полный набор констант при этой новой температуре от измеренного резонансного спектра. Затем, используя новый набор данных в качестве новой отправной точки, мы можем повысить температуру другим малым шагом температуры, чтобы получить полный набор констант при следующей температуре. Продолжая этот процесс позволит нам получить температурную зависимость полных констант множество материалов.

Здесь, ЦТС-4 пьезокерамический образец используется для иллюстрации процедуры измерений техники RUS. Поляризованный ЦТС-4 керамика обладает ∞m симметрией 10 независимых материальных констант: 5 упругих постоянных, 3 пьезоэлектрических констант и 2 диэлектрической проницаемостью. Поскольку диэлектрические постоянные нечувствительны к изменению резонансных частот, они были измерены отдельно с использованием того же образца. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости зажатых а также были измерены непосредственно из измерений емкости, в то время как свободные диэлектрической проницаемостиOAD / 53461 / image005.jpg "/> и измеренная в то же время были использованы в качестве данных проверок на непротиворечивость. Температурная зависимость упругих констант жесткости при постоянном электрическом поле , , , а также , И пьезоэлектрические константы напряжения E _15, е ₃₁ и е ₃₃ определяли методом RUS с использованием того же образца.