利用共振超声谱法表征压电材料的全套材料常数及其温度依赖性

本共振超声谱方法的总体目标是仅使用一个样品，测量压电材料的全套材料常数及其温度依赖性。根据电气与电子工程师协会（IEEE）压电标准中定义的阻抗法，需要5至7个不同几何形状的样品，才能测得压电材料的全套材料常数。共振超声谱技术的主要优势在于，可从单一样品获得完整的张量性质，从而避免因样品间差异所导致的不一致性。

通过该方法获取的数据，可使人们利用更精细的单元法模拟机电设备的性能，并量化其在较高温度下的性能退化情况。首先，将矩形平行管用极薄的一层石蜡粘附在PZT-4陶瓷样品上，再将样品粘在金属杆的底面，粘附时需将金属杆和样品加热至约60摄氏度。冷却至室温后，将金属杆紧密地插入一个外径较大的金属圆筒中，使圆筒底面与样品可一同抛光，以确保样品表面的平整度。用自来水润湿一块有机玻璃板，并将6微米的氧化铝粉末撒在湿润的表面上。

将带有已粘附样品的样品台放置在有机玻璃板上，做圆周运动以研磨样品表面至平整。然后用自来水彻底清洗有机玻璃板和样品台。接着，将3微米的氧化铝粉末撒在湿润的有机玻璃板上，重复研磨过程以进一步平滑样品表面。

用自来水将玻璃板和样品台清洗干净。通过将组件加热至约 60 摄氏度以熔化石蜡，从而将样品从样品台上取下。操作完成后，用丙酮去除样品表面残留的石蜡。

将一个15兆赫的纵波换能器和一台数字示波器连接到脉冲接收器上。然后，在换能器与样品表面之间涂抹适量耦合油脂，将换能器沿X方向放置在样品表面。按下数字示波器控制面板上的光标键。

然后，按下侧边菜单按钮 V 形条，旋转通用旋钮，将一条光标线移至第一个回波信号的最高峰值处。此时，按下 Select 键，再旋转通用旋钮，将另一条光标线移至第二个回波信号中对应的峰值位置。读取屏幕上以向上三角形标记处的数值，该数值即为纵波脉冲沿 X 轴方向传播的往返飞行时间。

将阻抗分析仪连接至控制计算机，并同时开启电源。然后，将样品插入连接至分析仪的夹具中，并将整个组件放入温度箱内。关闭温度箱后，按下阻抗分析仪面板上的 Meas 键，并选择 CP-D。

接下来，使用控制计算机将腔室温度设置为 20 摄氏度。打开电子表格软件并读取电容数据，然后将结果保存到文件中。

随后，按下阻抗分析仪面板上的上键来改变腔室温度。待腔室温度稳定后，对每个温度增量重复上述步骤。此时，将样品置于共振超声谱系统发射和接收换能器之间，仅使样品的对角顶点与换能器接触。

通过双击软件文件 DRS.exe 运行动态共振系统的控制界面。设置起始频率、终止频率以及要采集的数据点总数。在室温下测量样品在此频率范围内的共振谱，并将谱图保存到文件中。

将样品放置在炉内已有的发射和接收换能器之间，仅使样品的对角两端与换能器接触。随后，运行共振超声谱系统测量软件，测量样品的共振频率，并将结果保存至文件中。

以5摄氏度为温度步长，逐步升高样品的温度。重复上一步骤，直至达到目标温度。对于PZT-4陶瓷样品，其弹性常数C11E、C33E和C44E随温度升高而增加。

在20至120摄氏度范围内，弹性常数C12E和C13E几乎不随温度变化。另一方面，压电常数E33、E31和E15则表现出强烈的温度依赖性。根据该方法获得的全套材料常数所计算出的预测介电常数与实测介电常数之间表现出极好的一致性。

使用一组公式计算得到的压电常数 D15 和 D33，与使用另一组公式计算得到的数值也表现出良好的一致性。这些结果证实，针对 PZT-4 陶瓷样品获得的全套材料常数在 20 至 120 摄氏度的温度范围内具有高度的自洽性。该 RUS 技术使我们能够在较高温度下测量材料的完整张量性能，并保证数据的自洽性，从而为器件仿真领域的研究人员探索预测机电设备实际性能的可能性铺平了道路，特别是用于预测器件在运行过程中因发热导致的性能退化。

观看本视频后，您应能充分理解如何在高温条件下进行共振超声波谱学测量。关键在于首先在室温下获得一组可靠的常数，然后基于室温数据推导出高温下的完整张量性质。