Basık sfereoid geometrisinde çoklu rezonansa sahip piezoelektrik seramik dönüştürücülerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterisation of multimode piezoelectric ceramic transducers with oblate spheroid form
Yazar: AYLİN ÖTÜN
Danışman: PROF. DR. EBRU MENŞUR ALKOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Tez çalışması kapsamında basık sfereoid geometrisinde dönüştürücülerin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada iki eğrilik yarıçapına sahip basık sferoid geometrideki dönüştürücüler hazırlanarak iki ayrı frekansta rezonansın elde edilmesi amaçlanmıştır. Üretilen dönüştürücülerde 100 kHz altındaki frekanslarda rezonanslar tespit edilerek su altı sonar uygulamalarında kullanılabilecek bir dönüştücü geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu doğrultuda 30-10-XX mm ölçüsü doğrultusunda bir eğrilik yarıçapı değiştirilerek ATILA sonlu elemanlar analiz programı ile dört farklı tasarım (30-10-35 mm, 30-10-40 mm, 30-10-50 mm, 30-10-60 mm) modellenmiş ve tasarımların admitans – frekans grafikleri kıyaslanmıştır. 30-10-35 mm eğrilik yarıçapına sahip olan numunenin rezonans frekansları 31 kHz ve 61 kHz olarak bulunmuştur. Bu frekansların istenilen aralıkta olduğu tespit edilmiştir. Aynı zamanda TVR'da (Transmitting Voltage Response - Voltaj İletim Cevabı) ciddi bir düşüş gözlenmemiştir. Modelleme sonrasında numuneler 30-10-35 mm boyutlarında hazırlanmıştır. Numunelerin üretilmesinde ticari PZT-5A (T&Partners Praha, Çek Cumhuriyeti) seramik tozu kullanılmış ve şekillendirme yöntemi olarak asıltı döküm yöntemi tercih edilmiştir. Dökümleri tamamlanan seramikler kurumaya bırakılmış olup ardından parçaların yoğunlaşması için 1260 °C'de 4 saat süreyle sinterlenmiştir. Sinterleme sonrasında numunelerin yüzeyinin düzeltilmesi için zımparalama işlemi gerçekleştirilmiş ve numunelerin iç ve dış yüzeylerine gümüş elektrot kaplaması yapılmıştır. Kaplama sonrasında numuneler 700 °C'de 30 dakika boyunca pişirilmiştir. Pişirme sonrası kutuplama işlemi 2 kV/mm elektrik alan altında 120 °C'de silikon yağı içerisinde 10 dakika süre boyunca gerçekleştirilmiştir. Numunelerin iç ve dış bağlantıları yapılarak montajları gerçekleştirilmiştir. Prototiplerin hava ölçümleri alınmıştır. Ardından farklı kalınlık ve sertlikte poliüretan kaplamaları yapılan prototiplerin su altında ölçümleri alınarak performansları ortaya konmuştur.

Abstract:
In the scope of the thesis, the design, production and characterization of transducers in oblate spheroid geometry were carried out. In this study, it is aimed to obtain resonance at two different frequencies by preparing transducers in oblate spheroid geometry with two radii of curvature. In addition, it is aimed to develop a transducer that can be used in underwater sonar applications by detecting resonances at frequencies below 100 kHz in the produced transducers. In this direction, radius of curvature of 30-10-XX mm design changed and four different designs (30-10-35 mm, 30-10-40 mm, 30-10-50 mm, 30-10-60 mm) researched with the ATILA finite element analysis program. Then, the admittance-frequency graphs of the designs were compared. The resonance frequencies of the sample with a radius of curvature of 30-10-35 mm were found as 31 kHz and 61 kHz. It has been determined that these frequencies are in the desired range. At the same time, no significant decrease in TVR (Transmitting Voltage Response) was observed. After modeling, the samples were prepared in 30-10-35 mm dimensions. Commercial PZT-5A (T&Partners Praha, Çek Cumhuriyeti) ceramic powder was used in the production of the samples and the shapingwas carried out by suspension casting method. After the castings were completed, the ceramics were left to dry and then sintered at 1260 °C in silicone oil for 4 hours to condense the samples. After sintering, sanding was carried out to smooth the surface of the samples and silver electrode coating was applied to the inner and outer surfaces of the samples. Then, the samples were fired at 700 °C for 30 minutes. Polarization after firing was carried out under 2 kV/mm electric field at 120 °C for 10 minutes. The samples were assembled by making internal and external connections. Air measurements of the prototypes were taken. Then, the performances of the prototypes with different thickness and hardness polyurethane coating were taken under water and their performances were revealed.