Charakterystyka pełnych stałych materiałowych i ich zależności temperaturowej dla materiałów piezoelektrycznych za pomocą rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej
27 kwietnia 2016
Ten protokół opisuje procedurę pomiaru zależności temperatury od pełnych stałych materiałowych materiałów piezoelektrycznych za pomocą rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej (RUS).
Ogólnym celem tej metody rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej jest pomiar pełnego zestawu stałych materiałowych i ich zależności od temperatury dla materiału piezoelektrycznego przy użyciu tylko jednej próbki. Metoda impedancji zdefiniowana w normach piezoelektrycznych instytutu inżynierów elektryków i elektroników wymaga od 5 do 7 próbek o różnych geometriach w celu zmierzenia pełnego zestawu stałych materiałowych dla materiału piezoelektrycznego. Główną zaletą techniki rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej jest to, że pełne właściwości tensora można uzyskać z jednej próbki, unikając niespójności spowodowanych zmianami między próbkami.
Dane uzyskane za pomocą tej metody umożliwiają symulację wydajności urządzeń elektromechanicznych i ilościowe określenie pogorszenia wydajności w wyższych temperaturach przy użyciu metody drobniejszych elementów. Najpierw przyklej prostokątną równoległą rurkę do próbki ceramicznej PZT-4 do dolnej powierzchni metalowego pręta za pomocą bardzo cienkiej warstwy wosku, podgrzewając pręt i próbkę do około 60 stopni Celsjusza. Po schłodzeniu do temperatury pokojowej szczelnie dopasuj pręt do metalowego cylindra o większej średnicy zewnętrznej, tak aby dolna powierzchnia cylindra i próbka mogły być wypolerowane razem, aby zagwarantować płaskość powierzchni próbki Zwilż płytkę z pleksi wodą z kranu i posyp mokrą powierzchnię proszkiem tlenku glinu o grubości 6 mikronów.
Umieść uchwyt na próbkę z przyklejoną do niego próbką na płycie z pleksi i wykonuj okrężne ruchy, aby zmielić serwis próbek na płasko. Następnie dokładnie umyj płytkę z pleksi i uchwyt na próbkę wodą z kranu. Następnie rozsyp proszek tlenku glinu o grubości 3 mikronów na mokrą płytkę z pleksiglasu i powtórz mielenie, aby wygładzić powierzchnię próbki.
Umyj szklaną płytkę i uchwyt próbki do czysta wodą z kranu. Zdejmij próbkę z uchwytu, podgrzewając zespół do około 60 stopni Celsjusza, aby stopić wosk. Po zakończeniu usuń pozostały wosk z powierzchni próbki za pomocą acetonu.
Podłącz 15-megahercowy przetwornik fal podłużnych i oscyloskop cyfrowy do odbiornika pulcera. Następnie umieść przetwornik na powierzchni próbki wzdłuż kierunku X, umieszczając pomiędzy nimi trochę smaru sprzęgającego. Naciśnij curser na panelu sterowania oscyloskopu cyfrowego.
Następnie naciśnij przycisk menu bocznego V paski i obróć pokrętło ogólnego przeznaczenia, aby przesunąć jedną linię kursora do najwyższego szczytu pierwszego sygnału echa. W tym momencie naciśnij Select i obróć pokrętło ogólnego przeznaczenia, aby przesunąć drugą linię kursora do odpowiedniego szczytu w drugim sygnale echa. Odczytaj wartość liczbową w miejscu oznaczonym trójkątem w górę na ekranie, która jest czasem lotu w obie strony impulsu fali podłużnej wzdłuż osi X.
Podłącz analizator impedancji do komputera sterującego i włącz oba. Następnie włóż próbkę do uchwytu podłączonego do analizatora i umieść cały zespół w komorze temperaturowej. Po zamknięciu komory temperaturowej naciśnij przycisk Meas na panelu analizatora impedancji i wybierz CP-D.
Następnie ustaw komorę na 20 stopni Celsjusza za pomocą komputera sterującego. Otwórz arkusz kalkulacyjny i odczytaj dane dotyczące pojemności. Następnie zapisz wyniki w pliku.
Następnie zmień temperaturę komory, naciskając w górę na panelu analizatora impedancji. Powtórz poprzedni krok dla każdego przyrostu temperatury, po ustabilizowaniu się temperatury w komorze. W tym miejscu umieścić próbkę między przetwornikami nadawczymi i odbiorczymi systemu rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej, tak aby styki znajdowały się tylko w przeciwległych rogach próbki.
Uruchom interfejs sterowania systemu rezonansu dynamicznego, klikając dwukrotnie plik oprogramowania DRS.exe. Ustaw częstotliwość początkową, częstotliwość końcową i łączną liczbę punktów danych do zebrania. Zmierz widmo rezonansowe próbki w tym zakresie częstotliwości w temperaturze pokojowej i zapisz widmo w pliku.
Umieścić próbkę pomiędzy przetwornikami nadawczymi i odbiorczymi, które znajdują się już w piecu, tak aby styki znajdowały się tylko w przeciwległych rogach próbki. Następnie uruchom oprogramowanie pomiarowe systemu spektroskopii ultrasonograficznej rezonansu i zmierz częstotliwości rezonansowe próbki. Następnie zapisz wyniki w pliku.
Zwiększyć temperaturę próbki w kroku co 5 stopni Celsjusza. Powtarzaj poprzedni krok, aż do osiągnięcia żądanej temperatury. Dla próbki ceramicznej PZT-4 stałe sprężystości C11E, C33E i C44E rosną wraz z temperaturą.
Natomiast stała sprężystości C12E i C13E są prawie niezależne od temperatury w zakresie od 20 do 120 stopni Celsjusza. Z drugiej strony stałe piezoelektryczne E33, E31 i E15 są silnie zależne od temperatury. Zmierzone stałe dialektyczne i przewidywane obliczone na podstawie pełnego zestawu stałych materialnych uzyskanych tą metodą wykazują doskonałą zgodność.
Stałe piezoelektryczne D15 i D33 obliczone przy użyciu jednego zestawu wzorów i wartości obliczone przy użyciu innego zestawu wzorów również wykazują dobrą zgodność. Wyniki te potwierdzają, że pełne ustalone stałe materiałowe uzyskane dla próbki ceramicznej PZT-4 są wysoce samospójne dla zakresu temperatur od 20 do 120 stopni Celsjusza. Ta technika RUS pozwala nam na pomiar pełnych właściwości tensora w podwyższonych temperaturach z zachowaniem samospójności, co utorowało drogę naukowcom zajmującym się symulacją urządzeń do zbadania możliwości przewidywania rzeczywistej wydajności urządzeń elektromechanicznych, w szczególności w celu przewidywania pogorszenia wydajności przy wytwarzaniu grzałki podczas pracy.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wykonywać pomiary rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej w podwyższonych temperaturach. Kluczem jest uzyskanie wiarygodnego zestawu stałych w temperaturze pokojowej, a następnie przekierowanie pełnej właściwości tensora w wysokich temperaturach na podstawie danych dotyczących temperatury pokojowej.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje metodę pomiaru zależności stałych materiałowych od temperatury w materiałach piezoelektrycznych z wykorzystaniem rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej (RUS). Technika ta pozwala na wyznaczenie pełnych właściwości tensorowych z pojedynczej próbki, co pozwala zredukować zmienność wyników.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria materiałowa
- Materiały piezoelektryczne
- Spektroskopia ultradźwiękowa
Wprowadzenie
- Tradycyjne metody wymagają wielu próbek do pomiaru stałych materiałowych.
- Rezonansowa spektroskopia ultradźwiękowa stanowi bardziej wydajną alternatywę.
- Metoda ta minimalizuje niespójności wynikające ze zmienności próbek.
- Dane z RUS mogą pomóc w symulacji wydajności urządzeń elektromechanicznych.
Cel badania
- Pomiar pełnego zestawu stałych materiałowych dla materiałów piezoelektrycznych.
- Ocena zależności tych stałych od temperatury.
- Poprawa dokładności symulacji parametrów pracy urządzeń.
Zastosowane metody
- Przyklejanie prostokątnego rurkowatego elementu równoległego do próbki ceramiki PZT-4.
- Podgrzewanie próbki i pręta w celu zapewnienia odpowiedniej adhezji.
- Polerowanie powierzchni próbki dla uzyskania dokładnych pomiarów.
- Stosowanie proszku tlenku glinu do przygotowania powierzchni.
Główne wyniki
- Pomyślne pomiary stałych materiałowych z jednej próbki.
- Wykazana zależność właściwości piezoelektrycznych od temperatury.
- Dostarczenie danych dla ulepszonej symulacji działania urządzenia.
- Zmniejszenie zmienności wyników w porównaniu z metodami tradycyjnymi.
Wnioski
- Rezonansowa spektroskopia ultradźwiękowa jest skuteczną metodą charakteryzacji materiałów piezoelektrycznych.
- Podejście to upraszcza proces pomiarowy i zwiększa wiarygodność danych.
- Przyszłe zastosowania mogą obejmować lepsze projektowanie i analizę urządzeń elektromechanicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładna charakterystyka stałych materiałów piezoelektrycznych oraz ich zależności od temperatury ma kluczowe znaczenie dla modelowania prognostycznego wysokoenergetycznych urządzeń elektromechanicznych stosowanych w instrumentacji biofarmaceutycznej i platformach analitycznych. Metoda rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej (RUS) umożliwia pozyskanie pełnego, spójnego zestawu właściwości tensorowych z jednej próbki, co redukuje zmienność i wspiera rzetelną symulację urządzeń pod wpływem stresu operacyjnego. Zdolność ta zwiększa pewność co do niezawodności urządzeń i prognozowania ich wydajności w środowiskach badawczo-rozwojowych oraz produkcyjnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia precyzyjną kwantyfikację zachowania materiału pod wpływem zmiennych obciążeń termicznych w celu prototypowania urządzeń.
- Wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka poprzez dostarczanie kompleksowych matryc właściwości zależnych od temperatury.
- Ułatwia zwiększenie pewności prognostycznej w wyborze i walidacji komponentów piezoelektrycznych dla systemów analitycznych.
Przesiewy i opracowanie testów
- Zapewnia standaryzowane, powtarzalne stałe materiałowe do integracji w procesach symulacji urządzeń.
- Zmniejsza zmienność między próbkami, poprawiając niezawodność i skalowalność platformy analitycznej.
- Umożliwia ilościową ocenę degradacji wydajności urządzenia wynikającej z efektów termicznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia ciągłość procesu od wyboru materiałów po kwalifikację urządzeń w środowiskach regulowanych.
- Ujednolica modelowanie urządzeń z rzeczywistymi warunkami operacyjnymi, wspierając niezawodność translacyjną.
- Minimalizuje ryzyko wdrażania nowych technologii analitycznych poprzez umożliwienie solidnej symulacji przedklinicznej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda RUS integruje procesy wyboru materiałów do produkcji urządzeń, symulacje oraz kwalifikację, wspierając przepływy pracy od wczesnych etapów odkryć po przedkliniczną walidację urządzeń.
- Biologia odkrywcza: Dostarcza podstawowych danych dla projektowania urządzeń opartych na hipotezach oraz oceny mechanistycznej.
- Screening: Zapewnia, że platformy analityczne są budowane w oparciu o powtarzalne i ilościowo zwalidowane właściwości materiałów.
- Analityka: Zapewnia pomiary o wysokiej wierności oraz wyniki statystyczne do porównywania różnych warunków.
- Badania translacyjne: Łączy charakterystykę laboratoryjną z operacyjną wydajnością urządzeń w warunkach przedklinicznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy ustandaryzowany, wielokrotnego użytku zestaw danych dla przyszłego rozwoju urządzeń i symulacji.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w modelowaniu wydajności urządzeń.
- Wartość operacyjna: Usprawnia charakterystykę materiałów, zwiększa powtarzalność i wspiera skalowalny rozwój urządzeń.
- Wartość strategiczna: Poprawia decyzje typu go/no-go oraz alokację kapitału poprzez redukcję ryzyka związanego z urządzeniami na późnych etapach rozwoju.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację platform urządzeń i technologii analitycznych z uwzględnieniem ryzyka.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu nauki o materiałach piezoelektrycznych oraz aparatury do rezonansowej spektroskopii ultradźwiękowej.
- Wymagany jest dostęp do systemów pomiarowych z kontrolą temperatury oraz infrastruktury analitycznej.
- Konieczna jest standaryzacja protokołów akwizycji i analizy danych pomiędzy zespołami.
- Może być wymagana adaptacja dla różnych klas materiałów piezoelektrycznych lub geometrii urządzeń.
- Ograniczenia praktyczne obejmują konieczność precyzyjnego przygotowania próbek oraz kontroli temperatury.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
1:09
Sample Preparation
2:30
Pulse-echo Ultrasound Measurement
3:23
Measure the Temperature Dependence of Dielectric Constants
4:16
Resonance Frequencies Measurement at Room Temperature and Mode Identification
4:56
Resonance Spectrum Measurement at High Temperatures and the Determination of Temperature Dependence of Full Set Material Constants
5:33
Results: Temperature Dependence of Full Set of Material Constants for Piezoelectric Materials Using Resonance Ultrasound Spectroscopy
6:41
Conclusion
