CAREER: Time-Resolved Structure-Property Relationships in Piezoelectric Ceramics

职业:压电陶瓷中的时间分辨结构-性能关系

基本信息

  • 批准号:
    0746902
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2008
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2008-08-01 至 2014-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

NON-TECHNICAL DESCRIPTION: Piezoelectric ceramics can couple electrical and mechanical energy, enabling us to sense and interact with our environment in multiple ways. Examples of devices utilizing piezoelectric ceramics include diagnostic and therapeutic ultrasound, sonar, vibration and position sensing, large-displacement actuation, micro-technologies including micro-positioning, and renewable power generation or energy harvesting. Many of these applications often function under dynamic conditions and although material properties can currently be measured under these conditions, time-resolved structural characterization techniques do not yet exist that can characterize the structural state of materials as a function of time during dynamic loading. This program will develop time-resolved X-ray diffraction techniques using both local instrumentation and through access to international synchrotron diffraction facilities and apply these tools to develop a more fundamental understanding of the time-dependent structural behavior of piezoelectric ceramics. This program will lead to an entirely new way of reconciling macroscopic properties in terms of structural dynamics in the time and frequency domains and has application in numerous other material systems. In piezoelectric ceramics, this framework will promote the development of lead-free, high-temperature, and multiferroic sensors and actuators. A primary educational component of this program is the development of international partnerships and the provision of international research experiences for students. This program will enable students to perform hands-on research at top-tier research institutions in Europe. These experiences will foster an awareness and appreciation for diversity of cultural and educational background, experience, and intellectual approach. Another significant educational component of this proposal is the development of in-house instrumentation for time-resolved structural studies at the University of Florida. The development of in-house instrumentation in a multi-user facility will enhance regional infrastructure for research and education and promote the development and dissemination of next-generation instrumentation. Hands-on modules will be developed for the in-house instrumentation to help teach undergraduate ceramics laboratories, core and specialty undergraduate courses, and graduate courses. Versatile software tools for the systematic and consistent analysis of diffraction datasets will also be developed and disseminated. TECHNICAL DETAILS: Materials scientists often describe the macroscopic behavior of materials in terms of microscopic origins through structure-property relationships. For macroscopic properties measured under dynamic perturbation, the development of such linkages is particularly difficult due to the lack of time-resolved structural characterization techniques. The primary goal of this program is to establish a new framework in which to investigate the relationship between structure and macroscopic properties of piezoelectric ceramics in the time domain. This will be accomplished by developing time-resolved stroboscopic data collection techniques during X-ray diffraction of bulk piezoelectric ceramics. The established framework will then be used to enhance the fundamental understanding of hysteresis, nonlinearity, and frequency dispersion in a variety of piezoelectric ceramic systems. For example, time-resolved techniques will enable a quantitative determination of the role of extrinsic mechanisms such as domain wall and interphase boundary motion on macroscopic properties. Ultimately, this will lead to an enhanced understanding of the origin of the macroscopic electromechanical behavior and its frequency and time dependence in polycrystalline piezoelectric ceramics. Throughout the course of the program, students will travel to the European Synchrotron Radiation Facility and the Ecole Polytechnique Federale de Lausanne to work with leading scientists while conducting high-energy X-ray diffraction experiments and complementary property measurements.
非技术描述:压电陶瓷可以耦合电能和机械能,使我们能够以多种方式感知环境并与之互动。使用压电陶瓷的设备的例子包括诊断和治疗超声,声纳,振动和位置传感,大位移驱动,微技术,包括微定位,可再生能源发电或能量收集。许多此类应用通常在动态条件下运行,尽管目前可以在这些条件下测量材料性能,但在动态加载过程中,尚不存在可以将材料的结构状态表征为时间函数的时间分辨结构表征技术。该项目将利用本地仪器和国际同步加速器衍射设备开发时间分辨x射线衍射技术,并应用这些工具对压电陶瓷的时间相关结构行为有更基本的了解。这个程序将导致一个全新的方式来协调宏观性质在时间和频率域的结构动力学方面,并已应用于许多其他材料系统。在压电陶瓷中,该框架将促进无铅、高温和多铁性传感器和执行器的发展。该计划的主要教育组成部分是发展国际伙伴关系和为学生提供国际研究经验。该课程将使学生能够在欧洲顶级研究机构进行实践研究。这些经历将培养对文化和教育背景、经验和智力方法多样性的认识和欣赏。该提案的另一个重要的教育组成部分是在佛罗里达大学开发用于时间分辨结构研究的内部仪器。在多用户设施中开发内部仪器将加强区域研究和教育基础设施,并促进下一代仪器的开发和传播。动手模块将为内部仪器开发,以帮助教授本科陶瓷实验室,核心和专业本科课程,以及研究生课程。还将开发和传播用于系统和一致地分析衍射数据集的多功能软件工具。技术细节:材料科学家经常通过结构-性能关系,从微观起源的角度描述材料的宏观行为。对于在动态扰动下测量的宏观性质,由于缺乏时间分辨的结构表征技术,这种联系的发展特别困难。本项目的主要目标是建立一个新的框架,在这个框架中,研究压电陶瓷的结构和宏观性能在时域上的关系。这将通过在体压电陶瓷的x射线衍射过程中开发时间分辨频闪数据收集技术来完成。建立的框架将被用来加强对各种压电陶瓷系统中的迟滞、非线性和频散的基本理解。例如,时间分辨技术将能够定量确定诸如畴壁和相间边界运动等外在机制对宏观性质的作用。最终,这将有助于加深对多晶压电陶瓷宏观机电行为的起源及其频率和时间依赖性的理解。在整个项目过程中,学生将前往欧洲同步辐射设施和洛桑联邦理工学院,与领先的科学家一起进行高能x射线衍射实验和互补特性测量。

项目成果

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