Диссертация (1090253), страница 11
Текст из файла (страница 11)
3.8. Температурная зависимость акустической добротности структур с ПЭ слоемиз LGT.Температурная зависимость добротности структур на основе PZT имеет другойхарактер. Приведённые на рис. 3.9 зависимости показывают, что Q1 и Q2 в образцахPZT-Ni и PZT-Metglas практически одинаковы и слабо меняются в диапазонетемператур от 200 К до 380 К. При этом у обеих структур добротность продольныхколебаний ниже, чем изгибных: Q1 ≈ 170, Q2 ≈ 120.200200PZT-Metglas150150PZT-Metglas100Q2Q1PZT-Ni100PZT-Ni505000200300400200300400T, KT, Ka)b)Рис.
3.9. Температурная зависимость акустической добротности структур с ПЭслоем из PZT.75Выводы по параграфу 3.3:• ВструктурахсПЭслоемизLGTэффективностьрезонансногоМЭпреобразования монотонно падает с ростом температуры во всём исследованномдиапазоне, что вызвано главным образом падением акустической добротностилангатата;• температурный диапазон эффективного МЭ преобразования в исследованныхструктурах составил от 200 К до 380 К;• относительные изменения эффективности резонансного МЭ преобразования вструктурах на основе керамики PZT в температурном диапазоне от 200 К до 380 Кменьше, чем в структурах на основе монокристаллического LGT;• изменение резонансной частоты композитной МЭ структуры, в основном,определяется изменением модулей Юнга материалов её слоёв [A1 – A3];•структуры на основе монокристаллического LGT имеют более высокуютемпературную стабильность резонансной частоты, чем структуры на основесегнетоэлектрической керамики PZT;•в структурах на основе LGT резонансная частота продольных колебаний f2 имеетна порядок лучшую температурную стабильность, чем резонансная частотаизгибных колебаний f1.3.3 Температурные характеристики МЭ эффекта в структурах с ФМ слоямиразной толщиныВо всех исследованных до этого структурах толщина ФМ слоя была на порядокменьше толщины ПЭ слоя.
Чтобы определить влияние толщины ФМ слоя натемпературные характеристики резонансного МЭ эффекта в двухслойной композитнойструктуре, были дополнительно изготовлены образцы с толщиной слоя Ni 200 мкм:PZT-Ni_T, LGT-Ni_T. Далее сравниваются температурные зависимости характеристикструктур PZT-Ni и PZT-Ni_T, LGT-Ni, LGT-NI-T.На рис.
3.10 приведены зависимости α1’(T) и α2’(T) для структур PZT-Ni сразными толщинами Ni. Видно, что в структуре PZT-Ni увеличение толщины слоя Ni76привело к повышению эффективности резонансного МЭ преобразования в интервалетемператур от 300 К до 400 К как при изгибных (рис. 3.10а), так и при продольных(рис. 3.10b) колебаниях.1,01,0PZT-Ni_TPZT-Ni0,80,6 2' 1'PZT-Ni_T0,50,4PZT-Ni0,20,00,0200300400200300T, K400T, Ka)b)Рис. 3.10. Температурная зависимость эффективности МЭ преобразования вструктурах PZT-Ni c ФМ слоем разной толщины.
Ni_T – 200 мкм, Ni – 30 мкм.На рис. 3.11 показаны аналогичные зависимости для структур LGT-Ni с разнойтолщиной слоя ФМ. В результате утолщения слоя Ni характер зависимости α1’(T)практически не меняется, в то время как α2’(T) демонстрирует значительно болеесильное падение с ростом температуры во всём исследованном диапазоне.1,01,0LGT-NiLGT-Ni0,8 2' 1'0,60,50,4LGT-Ni_TLGT-Ni_T0,20,00,0200300400200300T, K400T, Ka)b)Рис.
3.11. Температурная зависимость эффективности МЭ преобразования вструктурах LGT-Ni c ФМ слоем разной толщины. Ni_T – 200 мкм, Ni – 30 мкм.77Влияние толщины слоя Ni на абсолютную величину резонансных МЭкоэффициентов, резонансных частот и добротности при комнатной температуреиллюстрирует таблица 3.1.Таблица 3.1. Характеристики линейного резонансного МЭ эффекта в композитныхструктурах с разной толщиной слоя Ni при T=295 K.Образецf1, кГцQ1Q2αE1,f2, kHzαE2,В/(см ∙Э)В/(см ∙Э)Изгибные колебанияПродольные колебанияLGT-Ni4,71000284,2500045,5LGT-Ni_T7,0150169417010PZT-Ni3.51601,63691203,0PZT-Ni_T9,01302710712010Следует отметить, что эффективность α1’(T) при увеличении толщины слоя Ni вобоих случаях значительно (в 8 раз - для образца LGT-Ni и в 16 раз – для образца PZTNi) увеличилась, в то время как α2’(T) в структуре с LGT уменьшилась в 4.5 раза, а вструктуре с PZT увеличилась в 3.3 раза.
При этом во всех структурах увеличениетолщины ФМ слоя привело к падению добротности и росту резонансных частот.Наиболее значительное уменьшение наблюдается в структуре LGT-Ni, у которой Qупала на порядок, что связано со значительно худшей добротностью Ni, по сравнению сLGT. Увеличение резонансных частот вызвано большей плотностью Ni, по сравнению сPZT и LGT.0,6LGT-NI Q/100,4Q, 103LGT-NI_T0,2PZT-NI_TPZT-NI0,0200250300350400T, KРис.
3.12. Температурная зависимость акустической добротности структур с Niразной толщины: Ni_T – 200 мкм, Ni – 30 мкм.78Температурные зависимости добротности продольных акустических колебаний вструктурах PZT-Ni и LGT-Ni с разной толщиной ФМ слоя показаны на рис. 3.12. Видно,что структуры PZT-Ni и PZT-Ni_T свою добротность в диапазоне температур от 200 Кдо 400 К практически не меняют. Добротность структуры LGT-Ni с увеличениемтемпературы в исследованном диапазоне уменьшается от 5.2·103 до 3·103.
Добротностьструктуры LGT-NI_T при температуре 200 К равна 500, что на порядок меньшедобротности для LGT-Ni при той же температуре, а при увеличении T падает заметнобыстрее, достигая величины 90 при T = 350 K. Отметим, что по форме температурнаязависимость добротности для этих двух образцов практически повторяет зависимостьэффективности на продольных колебаниях α2’(T).Влияние толщины ФМ слоя на температурные зависимости относительногоизменения резонансных частотпродольных и изгибных колебаний иллюстрируютрис. 3.13 и рис. 3.14.
Видно, что в структурах на основе LGT и PZT температурнаястабильность продольных и изгибных колебаний с утолщением слоя Ni резкоухудшилась. Величина δf1 в диапазоне температур от 200 К до 400 К в структуре PZT-Niс утолщением слоя Ni увеличилась с 0.7% до 12%, в структуре LGT-Ni – с 0.4 % до 7%.Изменение частоты продольных колебаний δf2 в PZT-Ni увеличилось с 1% до 6%, в LGTNi – 0.1% до 4%.2003002004003000T, KPZT-Ni f2, % f1, %-10T, K-2PZT-Ni-54000-4PZT-Ni_TPZT-Ni_T-6a)b)Рис. 3.13. Температурная зависимость изменения резонансной частоты МЭпреобразования в структурах PZT-Ni с ФМ слоем разной толщины. Ni_T – 200 мкм,Ni – 30 мкм.791200300200400400LGT-NiT, KT, K-1 f2, %LGT-Ni f1, %30000-5-2-3LGT-Ni_T-4-10LGT-Ni_T-5a)b)Рис. 3.14.
Температурная зависимость изменения резонансной частоты МЭпреобразования в структурах LGT-Ni с ФМ слоем разной толщины. Ni_T –200 мкм, Ni – 30 мкм.Выводы по параграфу:. Эффективность МЭ преобразования в структуре PZT-Ni при утолщении ФМ слояповысилась по абсолютной величине, а также стала более стабильной в областиположительных температур; эффективность МЭ преобразования в структуре LGT-Ni при утолщении ФМ слояуменьшилась по абсолютной величине, а также во всём диапазоне температурстала падать быстрее с ростом T; утолщение слоя Ni в структурах LGT-Ni и PZT-Ni привело к значительномуухудшению температурной стабильности резонансной частоты;3.4 Анализ и обобщение результатов3.4.1 Зависимость МЭ коэффициента от параметров слоёв структурыИспользуя данные о полученных экспериментально температурных зависимостяхсвойств материалов слоёв композитной структуры, можно оценить величину измененияэффективности МЭ преобразования в заданном температурном диапазоне.Для расчёта резонансного МЭ коэффициента воспользуемся выражением (1.7):~31 112 − 3180Можно показать, что в выражении (1.6) 31 ≪ , тогда получаем упрощённуюзависимость для МЭ напряжения:~∙31 ∙11∙( + ),(3.1)то есть, изменение МЭ коэффициента с температурой будет определяться изменениемдобротностиQ,относительнойдиэлектрическойпроницаемостиПЭслояε,пьезоэлектрического модуля ПЭ слоя d31, пьезомагнитного модуля ФМ слоя q11 иупругой податливости ФМ (sm) и (se) ПЭ слоёв.РассчитаемотносительноеизменениеэффективностирезонансногоМЭпреобразования для образцов разного состава: PZT-Ni и LGT-Metglas.
В структурах стонким слоем ФМ≫ 1, поэтому влиянием податливости ПЭ слоя se можнопренебречь.Учитывая имеющиеся данные о температурной зависимости d31 на рис. 3.15[83], ε и Q, можно рассчитать, какое изменение претерпит МЭ коэффициент приувеличении температуры от 200 К до 380 К:(2 )(1 )=380 200 380 200380 3111200 380 200 380200 3111,(3.2)Рис. 3.15. Температурная зависимость пьезомодуля d31 для керамики PZT [83].Выпишем в таблицу значения параметров PZT при двух значениях температуры.81Таблица 3.2. Значения параметров слоя PZT при разных значениях температуры.ВеличинаЗначение при 200 К (-70°С)Значение при 380 К (100°С)d31, 10-12 м/В110130ε10004000Q140140Получаем для структуры PZT-Ni:(2 )(1 )Отношение3801120011= 0.3380 20011200 38011.
(3.3)мы можем получить из данных измерения температурнойзависимости упругих свойств никеля. Можно показать, что2121 2=√12 2, где um2 –величина напряжения в измерительной катушке. Согласно результатам измерений,3801120011≈ 0.9,200380≈ 1.07, отсюда получаем:(2 )(1 )≈ 0.3.Таблица 3.3 содержит параметры LGT и добротность структуры LGT-Metglas приразных значениях температуры.Таблица 3.3. Значения параметров слоя LGT и структуры LGT-Ni при разныхзначениях температуры.ВеличинаЗначение при 200 К (-70°С)Значение при 380 К (100°С)d31, 10-12 м/В6.56.5ε8080QLGT-Metglas130003000Рассчитаем изменение резонансного МЭ напряжения для этой структуры.(2 )(1 )= 0.233801120011= 0.23 ∙ 0.95 = 0.22(3.4)В таблице приведены значения измеренных и расчётных изменений эффективности дляструктур PZT-Ni, PZT-Metglas, LGT-Ni, LGT-Metglas82Таблица 3.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
