Name: characterization of full set material constants and their temperature dependence for piezoelectric materials using resonant ultrasound spectroscopy
Uploaded: 2016-04-27T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy at JoVE.co

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).

1. Prøvepreparering Merk: PZT-4 keramiske prøver av den ønskede størrelse direkte kan bestilles fra mange PZT-keramiske produsenter. Man kan også kutte prøven fra et større PZT keramisk blokk ved hjelp av en diamantkuttemaskin, så repole prøven for å gjenopprette depoling forårsaket av skjæring og polering. Her, er prøven form et parallellepiped med hver dimensjon mellom 3 mm og 10 mm. Større størrelse prøvene er ikke nødvendig, men nøyaktigheten kan bli svekket dersom prøve...

<ol>
	<li>Jaffe, B., Cook, W. R., Jaffe, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Piezoelectric Ceramics. , (1971).</li><li>Chaussy, C., Thuroff, S., Rebillard, X., Gelet, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Technology+insight:+High-intensity+focused+ultrasound+for+urologic+cancers.">Technology insight: High-intensity focused ultrasound for urologic cancers.</a> Nat. Clin. Pract. Urol. 2, 191-198 (2005).</li><li>Haar, G. T., Coussios, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+intensity+focused+ultrasound:+physical+principles+and+devices.">High intensity focused ultrasound: physical principles and devices.</a> Int. J. Hyperthermia. 23, 89-104 (2007).</li><li>Topolov, V. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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".">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".</a> Appl. Phys. Lett. 96, 196101 (2010).</li><li>Li, S. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+full+set+material+constants+of+piezoelectric+materials+based+on+ultrasonic+method+and+inverse+impedance+spectroscopy+using+only+one+sample.">Characterization of full set material constants of piezoelectric materials based on ultrasonic method and inverse impedance spectroscopy using only one sample.</a> J. Appl. Phys. 114, 104505 (2013).</li><li>Ohno, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rectangular+parallellepiped+resonance+method+for+piezoelectric+crystals+and+elastic+constants+of+alpha-quartz.">Rectangular parallellepiped resonance method for piezoelectric crystals and elastic constants of alpha-quartz.</a> Phys. Chem. Miner. 17, 371-378 (1990).</li><li>Ogi, H., Kawasaki, Y., Hirao, M., Ledbetter, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+spectroscopy+of+lithium+niobate:+Elastic+and+piezoelectric+coefficients.">Acoustic spectroscopy of lithium niobate: Elastic and piezoelectric coefficients.</a> J. Appl. Phys. 92, 2451 (2002).</li><li>Pujol, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+solution+of+nonlinear+inverse+problems+and+the+Levenberg-Manquardt+method.">The solution of nonlinear inverse problems and the Levenberg-Manquardt method.</a> Geophysics. 72, 1-16 (2007).</li><li>Mor&#233;, J. J., Garbow, B. S., Hillstrom, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=User+Guide+for+MINPACK-1.">User Guide for MINPACK-1.</a> Argonne National Laboratories Report ANL-80-74. , (1980).</li><li>Tang, L. G., Cao, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temperature+dependence+of+self-consistent+full+matrix+material+constants+of+lead+zirconate+titanate+ceramics.">Temperature dependence of self-consistent full matrix material constants of lead zirconate titanate ceramics.</a> Appl. Phys. Lett. 106, 052902 (2015).</li><li>Topolov, V. Y., Bowen, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inconsistencies+of+the+complete+sets+of+electromechanical+constants+of+relaxor-ferroelectric+single+crystals.">Inconsistencies of the complete sets of electromechanical constants of relaxor-ferroelectric single crystals.</a> J. Appl. Phys. 109, 094107 (2011).</li><li>Berlincourt, D., Krueger, H. H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Properties of Morgan Electroceramic ceramics. Technique publication TP-226. , (2000).</li><li>Migliori, A., Sarrao, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Resonant ultrasound spectroscopy. , (1997).</li><li>Zadler, B. J., Le Rousseau, J. H. L., Scales, J. A., Smith, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resonant+ultrasound+spectroscopy:+Theory+and+application.">Resonant ultrasound spectroscopy: Theory and application.</a> Geophys. J. Int. 156, 154-169 (2004).</li></ol>

Den RUS teknikken beskrevet her kan måle hele settet materialkonstanter ved hjelp av kun en prøve, noe som eliminerer feil forårsaket av egenskapen variasjon fra prøve til prøve, slik at egenkonsistens kan garanteres. Fremgangsmåten kan anvendes for en hvilken som helst fast materiale med en høy kvalitetsfaktor Q, uansett om de er piezoelektrisk eller ikke. Alle andre standard karakterisering teknikker krever flere prøver å få et komplett sett av data, og er vanskelig å oppnå selv konsistente data. <p cl...

Blyzirkonattitanat (PZT) piezoelektrisk keramikk, (1-x) PbZrO 3 -xPbTiO 3, og dets derivater har blitt mye brukt i ultralyddetektorer, sensorer og aktuatorer siden 1950-tallet en. Mange av disse elektromekaniske enheter brukes ved høye temperaturområder, for eksempel for romfartøy og underjordisk brønnlogging. Videre høy effekt enheter, for eksempel terapeutiske ultralyd transdusere, piezoelektriske transformatorer og sonar projektorer, ofte varme opp under drift. Slike temperaturstigning vil endre resonansfrekvenser og navet i transdusere, forårsaker alvorlig forringelse av ytelsen. Høy intensitet fokusert ultralyd (hifu) teknologi, som allerede er brukt i klinisk praksis for behandling av tumorer, bruker ultrasoniske transdusere laget av PZT keramikk. Under drift vil temperaturen av disse transdusere øker, forårsaker en endring av materialkonstant på PZT resonator, noe som i sin tur vil endre HIFU navet samt utgangseffekten 2,3. Forskyvning av brennpunktet kan føre til alvorlige uønskede resultater, dvs. friskt vev blir ødelagt i stedet for kreftvev. På den annen side, hvis midtpunkt forskyvning kan forutsies, kan man bruke elektroniske utførelser for å korrigere et slikt skift. Derfor måling av temperaturavhengigheten av hele settet materialegenskaper av piezoelektriske materialer er meget viktig for utformingen og evaluering av mange elektromekaniske anordninger, spesielt høy effekt enheter. Polet ferroelektriske materialer er de beste piezoelektriske materialer kjent i dag. Faktisk nesten alle piezoelektriske materialer for tiden er i bruk er ferroelektriske materialer, inkludert solid løsning PZT keramikk og (1-x) Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) enkle krystaller. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedans resonans metoden krever 5-7 prøver med drastisk forskjellige geometrier for å karakterisere hele settet materialet konstanter 4. Det er nesten umulig å oppnå selv-konsistente komplett sett matrisedata ved hjelp av IEEE impedans resonans fremgangsmåte for ferroelektriske materialer fordi graden av poling, avhenger av geometrien prøven (grensebetingelser), mens eksempler på egenskaper avhenge av nivået av poling. For å unngå problemer forårsaket av prøve til prøve variasjoner bør alle konstanter måles fra en prøve. Li et al., Rapporterte en vellykket måling av alle konstanter fra en prøve ved romtemperatur ved anvendelse av en kombinasjon av puls-ekko ultralyd og inverse impedans-spektroskopi 5. Dessverre er denne teknikk er vanskelig å utføre ved forhøyede temperaturer, fordi det ikke er mulig å utføre ultrasoniske målinger direkte inne i ovnen. Det er heller ingen kommersielt tilgjengelige skjær transdusere som kan arbeide ved høye temperaturer. I tillegg er koblings fett som bandt transprodusent og prøven ikke kan arbeide ved høye temperaturer. I prinsippet har RUS teknikk evnen til å bestemme hele settet materialkonstanter av piezoelektriske materialer og deres temperaturavhengighet ved hjelp av bare én prøve 6,7. Men det er flere viktige skritt for riktig gjennomføring av RUS teknikk. Først bør komplett sett med tensor egenskaper ved romtemperatur bestemmes nøyaktig ved hjelp av en kombinasjon av puls-ekko og RUS teknikker. Sekund, kan dette romtemperatur datasett som brukes til å forutsi resonansfrekvensene, og for å samsvare med de målte seg for å identifisere de tilsvarende modi. Tredje, for hver liten økning av temperaturen fra romtemperatur opp, må man utføre spektrum rekonstruksjon mot målte resonansspekter for å hente hele settet konstanter på denne nye temperatur fra den målte spektrum. Deretter bruker de nye dataene angitt som nytt utgangspunkt, kan vi<html> øke temperaturen med en annen liten temperatur skritt for å få et komplett sett konstanter ved neste temperatur. Fortsetter denne prosessen vil tillate oss å få temperaturen avhengighet av hele settet materielle konstanter. Her er en PZT-4 piezoceramic prøven brukes til å illustrere måleprosedyren for RUS teknikk. Den polet PZT-4 keramiske har ∞m symmetri med 10 uavhengige materielle konstanter: 5 elastiske konstanter, 3 piezoelektriske konstanter og 2 dielektriske konstanter. Fordi de dielektriske konstanter er ufølsomme for endring av resonansfrekvensene, ble de måles separat ved hjelp av den samme prøven. Temperaturavhengigheten av fastklemte dielektrisitetskonstanter <img alt="ligning 3" src="/files/ftp_upload/53461/image003.jpg" /> og <img alt="ligning 4" src="/files/ftp_upload/53461/image004.jpg" /> ble målt direkte fra kapasitans-målinger, mens de frie dielektrisitetskonstanterOAD / 53461 / image005.jpg &quot;/&gt; og <img alt="ligning 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> målt på samme tid ble benyttet som data konsistenskontroll. Temperaturavhengigheten av elastiske stivhet konstanter ved en konstant elektrisk felt <img alt="ligning 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="ligning 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="ligning 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="ligning 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> og <img alt="ligning 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> , Og piezoelektriske stresset konstanter E 15, E 31 og E 33 ble bestemt av RUS teknikk med den samme prøven.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>PZT-4</td>
			<td>TRS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>paraffin</td>
			<td>MTI Corporation</td>
			<td>8002-74-2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>conductive silver paint</td>
			<td>MG Chemicals</td>
			<td>842-20G</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Al2O3 Powder</td>
			<td>MTI Corporation</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>coupling grease</td>
			<td>Panametrics</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

characterization of full set material constants and their temperature dependence for piezoelectric materials using resonant ultrasound spectroscopy

Under drift av høy effekt elektromekaniske anordninger, er en temperaturstigning kan unngås på grunn av mekaniske og elektriske tap, forårsaker nedbrytning av enhetens ytelse. For å vurdere slike ødeleggelse ved hjelp av datasimuleringer, er fulle matrise materialegenskaper ved høye temperaturer er nødvendig som innganger. Det er ekstremt vanskelig å måle slike data for ferroelektriske materialer på grunn av deres sterke anisotropiske naturen og eiendom variasjon blant prøver av forskjellige geometrier. Fordi grad av depolarisering er grensetilstandsavhengige, data innhentet av IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) impedans resonans teknikk, som krever flere prøver med drastisk forskjellige geometrier, mangler vanligvis selv konsistens. Resonans ultralyd spektroskopi (RUS) teknikken gjør hele settet materielle konstanter som skal måles ved hjelp av bare én prøve, som kan eliminere feil forårsaket av prøve til prøve variation. En detaljert RUS prosedyren er vist her med en blyzirkonattitanat (PZT-4) piezoceramic prøven. I eksemplet ble det komplette sett av materialkonstanter målt fra romtemperatur til 120 ° C. Målte gratis dielektriske konstanter <img alt="ligning 1" src="/files/ftp_upload/53461/image001.jpg" /> og <img alt="ligning 2" src="/files/ftp_upload/53461/image002.jpg" /> ble sammenlignet med beregnede som er basert på de målte komplett sett av data, og piezoelektriske konstanter d 15 og d 33 ble også beregnet ved hjelp av forskjellige formler. Utmerket overensstemmelse ble funnet i det hele område av temperaturer, noe som bekreftet den selv konsistensen av datasettet som oppnås ved RUS.

LM algorism anvendes i inversjon er et lokalt minimum finder. Derfor er de første verdiene av elastiske stivhet konstanter <img alt="ligning 6" src="/files/ftp_upload/53461/image006.jpg" /> , <img alt="ligning 7" src="/files/ftp_upload/53461/image007.jpg" /> , <img alt="ligning 8" src="/files/ftp_upload/53461/image008.jpg" /> , <img alt="ligning 9" src="/files/ftp_upload/53461/image009.jpg" /> og <img alt="ligning 10" src="/files/ftp_upload/53461/image010.jpg" /> Og piezoelektriske kons...

Watch this Scientific Journal Video about Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy at JoVE.co

Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy

This protocol describes the procedure of measuring the temperature dependence of the full set material constants of piezoelectric materials using resonant ultrasound spectroscopy (RUS).

Karakterisering av komplett sett Materiale konstanter og temperaturen Avhengighet for piezoelektriske materialer Bruke Resonant Ultralyd Spectroscopy

During the operation of high power electromechanical devices, a temperature rise is unavoidable due to mechanical and electrical losses, causing the ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM

Samtidig Kvantitativ Konduktivitet og mekaniske egenskaper Målinger av organiske fotovoltaiske materialer ved hjelp AFM

Organic photovoltaic  (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale  inhomogeneity of OPV materials affects performance ...

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Karakterisering av elektrodematerialer for Lithium Ion og Sodium Ion batterier Bruke Synchrotron Radiation Teknikker

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials

Karakterisering av Thermal Transport i One-dimensjonale solide materialer

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including ...

Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures

Skriving og Kulde Karakterisering av Oxide nanostrukturer

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions.  Oxide ...

A Method for Studying the Temperature Dependence of Dynamic Fracture and Fragmentation

En metode for å studere temperatur Avhengighet av Dynamic Fracture og Fragmentering

The dynamic fracture of a body is a late-stage phenomenon typically studied under simplified conditions, in which a sample is deformed under uniform ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Electron Kanalisering Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Karakterisering

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Characterization of Nanocrystal Size Distribution using Raman Spectroscopy with a Multi-particle Phonon Confinement Model

Karakterisering av nanocrystal Størrelsesfordeling ved hjelp av Raman spektroskopi med en Multi-partikkel Phonon Confinement Model

Analysis of the size distribution of nanocrystals is a critical requirement for the processing and optimization of their size-dependent properties. The ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Avanserte Eksperimentelle metoder for lav temperatur Magnetotransport Måling av nye materialer

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Eksperimentelle metoder for undersøkelse av Shape Memory Basert Elastocaloric Kjøle Prosesser og Modell Validation

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...