压电陶瓷作为微位移器件，具有谐振频率高、推力大、体积小、分辨率高及功耗低等特点^[1-3]，可以用作电调镜、变形镜以及快反镜的驱动器件^[4-5]，在自适应光学系统中常用于光轴稳定、光路耦合以及光束质量闭环校正^[6-8]，在精密加工以及自动控制领域也得到了广泛的应用^[9-10]。根据工作电压的不同，压电陶瓷一般分为低压陶瓷和高压陶瓷两类，其主要指标包括位移量、响应速度、精度、工作电压、线性度以及迟滞等性能等^{[9, 11-13]}，位移特性与压电陶瓷的晶体结构、烧结工艺等内在结构有关^[14-15]。通常，低压陶瓷一般工作在−20～120 V，是由每层为数十微米厚度的多层压电陶瓷叠堆而成，这种器件由于每层的厚度薄、电容大，响应速度慢，而高压陶瓷的工作电压上千伏，是由每层为数百微米厚度的多层压电陶瓷叠堆而成，这种器件的电容小、响应速度快、位移精度高。通过一定的补偿控制策略和优化算法，可以减小压电陶瓷的迟滞特性或非线性效应^{[2, 12, 16-19]}，更有利于提高光学系统或其他精密仪器的精度。疲劳特性是压电陶瓷的另一个重要指标，特别是自适应光学中使用的变形镜面形稳定性以及性能持久性，都跟压电陶瓷的疲劳特性有极大的关系，一些科研人员已经开展了压电陶瓷疲劳特性的技术研究^[20-21]。当前，多数低压陶瓷不具备抗拉能力，需施加预紧力后方可提供拉力，而预紧力的加载，会使压电陶瓷的迟滞和非线性效应更加明显^[17]。本文讲到的工作电压为±350 V的一款新型抗拉可压型压电陶瓷，最大的特点是不需要施加预紧力，加载正负电压，压电陶瓷可以产生伸缩，即输出正负位移，同时该陶瓷迟滞较小，约6%。

当前，在自适应光学系统中，变形镜研制单位的技术路线中对压电陶瓷的选型不大一致，有的选择0～1000 V或者±500 V的高压陶瓷，有的选择−20～120 V或0～150 V的低压陶瓷。不管哪种压电陶瓷，在变形镜设计时首先要考虑压电陶瓷的外形尺寸，便于满足变形镜的分辨率，其次是压电陶瓷的位移指标，得满足系统的校正动态范围，同时，需要考虑压电陶瓷的迟滞特性^[9]，该指标跟变形镜响应频率直接相关，这几个指标是变形镜的主要指标。高压陶瓷和低压陶瓷在正式使用前变形镜镜面状态不一样，正负电压工作的压电陶瓷，未加载控制电压时，镜面位置即为变形镜的工作零位，使用时不会引入额外像差；0～1000 V、0～150 V以及−20～120 V的压电陶瓷，在变形镜正式参与像差校正前需要加载偏置电压，偏置电压加载完成后的镜面位置才是变形镜的工作零位。由于变形镜中压电陶瓷较多，加载相同的偏置电压，每根压电陶瓷的伸长量难以控制到完全一致，即会引入额外像差，通过自展平可以去除绝大部分额外像差，但一方面会“牺牲”变形镜的动态范围，另一方面有可能会引入少量高阶量。根据实际情况，提出了电压为±350 V的一款新型抗拉可压型压电陶瓷的应用需求，其指标包括位移大于5 μm，外形尺寸为5 mm×5 mm×38 mm（正方形截面，高度为38 mm），迟滞小于10%等，随后开展了技术攻关并研制出了该型压电陶瓷。这款压电陶瓷最大的特点是不加载预紧力即可提供拉力，且尺寸较小，有利于提高变形镜的分辨率，同时，迟滞和电容较小，有利于提高变形镜的闭环带宽，跟国外的同类陶瓷相比，迟滞和抗拉能力是它的主要优势。

本文重点对±350 V抗拉可压型压电陶瓷的疲劳特性和压电效应进行测试与分析，初步了解压电陶瓷的疲劳性能和压电性能，同时为该型压电陶瓷的广泛使用提供一定的支撑数据。

1 压电陶瓷性能测试

压电陶瓷的主要性能指标包括位移、迟滞、电容、阻抗、热膨胀系数和抗拉强度等。位移指标是表征压电陶瓷的伸缩量随电压的变化量，它是压电陶瓷最核心的指标，将位移转换成机械运动，是压电陶瓷最常用的用法；迟滞是指压电陶瓷在升压降压过程中，同一电压下最大位移差值与压电陶瓷总位移的百分比，该指标对机械运动的控制来说是负面的，由于迟滞的存在，总会存在控制残差，通常需要采用非线性补偿或迟滞前馈等措施消除迟滞带来的这种不利影响。采用自研的压电陶瓷位移测试系统可测试位移和迟滞。该设备内置具有nm级分辨率的光栅尺进行读数，给压电陶瓷加载±350 V电压，陶瓷的伸缩带动光栅尺前后移动，控制软件读取光栅尺的输出脉冲并通过标定脉冲与位移的对应关系，即可绘制出压电陶瓷位移和电压的对应关系曲线，随后对测试数据进行处理，即可获得压电陶瓷的迟滞。图1（a）是压电陶瓷位移测试系统，图1（b）是压电陶瓷的电压位移曲线，其正位移为5.44 μm，负位移为5.06 μm，迟滞为6.12%。

图 1. 压电陶瓷测试系统和测试曲线

Fig. 1. Piezoelectric ceramic displacement test system and the test curve

下载图片 查看所有图片

电容也是压电陶瓷的重要指标，其值的大小影响充放电的快慢，也即是电容与压电陶瓷的工作频率息息相关，所以在压电陶瓷驱动电源工作带宽的设计时，必须充分考虑电容指标。阻抗是压电陶瓷的一个内在指标，通过阻抗测试，可以判断压电陶瓷内部是否存在缺陷或者压电陶瓷是否受损。采用电容测试仪和阻抗分析仪夹住压电陶瓷的电极即可读取电容值和阻抗。图2（a）是该压电陶瓷电容测试截图，图2（b）是阻抗测试曲线，其电容为11.95 nF，阻抗为18.59 Ω。

图 2. 压电陶瓷电容和阻抗曲线

Fig. 2. Capacitance and impedance curve of piezoelectric ceramics

下载图片 查看所有图片

热膨胀系数是所有材料的通用特性，采用热膨胀仪测压电陶瓷的热膨胀系数，热膨胀系数测试结果如图3所示。将测试数据通过专用数据分析软件即可获得压电陶瓷的热膨胀系数，测试的两根压电陶瓷在−40～100 ℃的温度范围内的热膨胀系数分别为4.16×10⁻⁶ K⁻¹和3.41×10⁻⁶ K⁻¹。

图 3. 热膨胀系数测试曲线

Fig. 3. Thermal expansion coefficient test curve

下载图片 查看所有图片

抗拉强度是该型压电陶瓷的重要指标，同时也是这款压电陶瓷的主要特点，具备一定的抗拉强度，就不用施加预紧力即可产生拉力，既可以节约压电陶瓷安装空间，又可以减小产品的结构复杂程度。采用万能材料试验机对该型压电陶瓷的抗拉能力进行测试。图4是三根压电陶瓷样品抗拉性能测试试验及测试曲线。

图 4. 拉力试验及测试曲线

Fig. 4. Tensile test and test curves

下载图片 查看所有图片

三根压电陶瓷样品被拉断时，1#最大拉力为289 N，2#最大拉力为276 N，3#最大拉力为251 N，均超过设计指标150 N，当然，抗拉能力越强，压电陶瓷失效的几率也就越小，也即是可靠性越高。拉力试验测试数据汇总于表1。

2 压电陶瓷疲劳试验

2.1 试验件设计与装夹

为了了解压电陶瓷在长时间推拉力作用下的位移指标变化情况，采用疲劳测试仪对抗拉可压型压电陶瓷进行疲劳性能测试。由于压电陶瓷是脆性材料，疲劳测试仪的气动夹具无法直接对压电陶瓷进行夹持，需采用特殊装夹对压电陶瓷进行固定后方可承受拉力和压力。图5是压电陶瓷疲劳试验的装夹方式，结构件中间是压电陶瓷，陶瓷两端为金属块，金属块开槽后采用粘胶方式将其固定，为了防止疲劳测试仪的气动夹具在夹持过程中出现扭摆产生扭矩对试验件造成损坏，压电陶瓷两端的金属块必须具备微米级的加工、装调和共面精度。

图 5. 压电陶瓷疲劳试验结构件

Fig. 5. Fatigue test structure of the piezoelectric ceramic

下载图片 查看所有图片

试验时，将压电陶瓷测试结构件安装到疲劳测试仪的气动夹具上，上下移动气动夹具并缓慢充气，夹头慢慢合拢并逐步夹紧金属块，启动相关程序即可开展疲劳试验。图6是试验件装夹方式。

图 6. 试验件装夹方式

Fig. 6. Clamping mode of test pieces

下载图片 查看所有图片

2.2 疲劳试验结果与分析

2.2.1 正弦载荷下压电陶瓷的形变及压电效应

疲劳试验前，首先开展±150 N@10 Hz正弦载荷试验，主要考察压电陶瓷粘接是否牢固、安装精度是否到位、金属块是否夹紧以及是否能够承受±150 N的推拉力等，同时也可获取正弦载荷下压电陶瓷的形变和压电效应，为后续变形镜研制提供数据。压电陶瓷形变的测试，可直接读取疲劳测试仪的输出位移即可；压电效应的测试，需将示波器的表笔夹住压电陶瓷的线缆，设置示波器合适的电压档位，在加载正弦载荷时，通过示波器即可读取推拉力作用下压电陶瓷产生的电压。图7（a）是±150 N@10 Hz正弦载荷曲线，图7（b）是压电陶瓷的形变量曲线，图8是压电陶瓷的输出电压（压电效应）。从图上可以看出，在±150 N@10 Hz正弦载荷下，压电陶瓷的形变量和压电效应输出的电压频率仍为10 Hz，均为正弦曲线，形变量幅值约±11.9 μm，电压峰-峰值为250 V。

图 7. ±150 N@10 Hz正弦载荷曲线及压电陶瓷形变曲线

Fig. 7. ±150 N@10 Hz sinusoidal load curve and deformation curve of piezoelectric ceramics

下载图片 查看所有图片

图 8. ±150 N@10 Hz正弦载荷下压电陶瓷的输出电压曲线（正压电效应曲线）

Fig. 8. ±150 N@10 Hz output voltage curve of piezoelectric ceramics under sinusoidal load （positive piezoelectric effect curve）

下载图片 查看所有图片

2.2.2 正弦载荷下压电陶瓷的疲劳试验

压电陶瓷疲劳试验时，正弦载荷为±150 N，频率为5 Hz，总加载次数为1000万次，装夹方式同图6。图9（a）是疲劳试验载荷曲线，（b）是压电陶瓷疲劳试验时承受推/拉力后产生的最大/小形变量曲线，绿线是拉力作用下最大形变量曲线（陶瓷伸长，形变量为正），红线是推力作用下最大形变量曲线（陶瓷缩短，形变量为负）。从形变量曲线可以看出，最大/小形变量基本不变，维持在±11 μm，且两条曲线基本平行。

图 9. 正弦载荷曲线及压电陶瓷最大/最小形变量曲线

Fig. 9. Sinusoidal load curve and maximum/minimum deformation curve of piezoelectric ceramics

下载图片 查看所有图片

随着时间的推移，加载次数的增加，白天、晚上以及不同时间段的环境温度有所变化，疲劳测试仪的位移读数头随温度将会产生一定的飘移，压电陶瓷形变量曲线将会发生偏移，但两条曲线基本上仍然保持平行，见图10（a）所示。由于压电陶瓷为脆性材料，试验开始前，在疲劳测试仪程序中设置有极限位移保护措施，防止位移量过大拉断或压断压电陶瓷，为此，将位移极限设置为±25 μm，当曲线向上偏移触碰到+25 μm或者向下触碰到−25 μm时，疲劳测试仪将会出现报警并自动停止工作，所以，在接近±25 μm位移保护点时，需要提前将疲劳测试仪的位移读数示值进行清零，此时曲线会出现拐点（图10（b）中正弦载荷约30万次位置），两条曲线逐渐向0位靠近，正弦载荷约40万次时，两条曲线基本上均衡的分布于0位上下且保持平行。

图 10. 压电陶瓷形变量曲线偏移及清零曲线

Fig. 10. Deviation and zero clearing curve of piezoelectric ceramics

下载图片 查看所有图片

通过手动清零，可确保疲劳测试仪一天24小时不间断的对压电陶瓷进行±150 N@5 Hz正弦加载，经过24天连续工作后，完成1 000万次的疲劳试验，压电陶瓷形变量曲线如图11所示，图中出现很多个清零拐点，但位移偏移量始终未触碰±25 μm极限位移报警点。疲劳试验完成以后，再次对压电陶瓷位移、电容和迟滞等重要指标进行测试，测试结果表明，位移减小约5%，其他指标均无明显变化。

图 11. 1000万次疲劳试验过程中压电陶瓷位移形变量曲线

Fig. 11. Displacement and deformation curve of piezoelectric ceramics during 10 million fatigue tests

下载图片 查看所有图片

3 结　论

针对特制的±350 V抗拉可压型压电陶瓷，开展了需求指标的测试，其中正位移为5.44 μm，负位移为5.06 μm，迟滞为6.12%，外形尺寸5 mm×5 mm×38 mm，其指标满足设计输入。为了对该新型压电陶瓷的性能进行全面的摸底，同时开展了阻抗、热膨胀系数以及抗拉能力的测试，与普通压电陶瓷比较，该型压电陶瓷迟滞相对较小，对非线性控制来说具有较大优势；电容较小，有利于提高变形镜的闭环带宽；抗拉能力较强，这是普通压电陶瓷所不具备的，可以在无预紧力的情况下，提高变形镜的分辨率；位移相对较小，这是该款压电陶瓷的弱点。最后开展了1 000万次±150 N@5 Hz疲劳试验，试验后压电陶瓷的位移减小约5%，这一数据在一定程度上表征了该型压电陶瓷的可靠性和寿命。如果将该型压电陶瓷用作变形镜的作动器，根据经验，对变形镜每天的工作时长、工作频率以及加载电压的大小进行预估，1 000万次的疲劳试验，可大致判断变形镜的寿命至少大于2年，这为后续变形镜的研制提供一定的数据支撑。