压电陶瓷在精密超精密领域的应用及发展

邵逸飞　孔繁星　何腾飞　陈澄　李胜男

摘 要 论述压电陶瓷在高精度领域的不同应用，包括压电陶瓷对物体微小形变测量、压电陶瓷作为传感元件与谐振器结合应用、压电传感技术在应力测量领域应用、压电陶瓷作为驱动器在纳米定位领域应用、压电陶瓷对材料构件损伤识别、压电陶瓷在无损检测领域应用、基于相移干涉法对三维表面微观轮廓检测等；描述压电材料分类以及特性；深度剖析压电陶瓷在当前科技发展阶段不同工业领域的应用，分析目前研究中的难点，展望未来的研发方向。

关键词 无损检测 压电陶瓷 压电传感器 压电驱动器 表面测量

中图分类号 TP216；TM282   文献标识码 A   文章编号 1000?3932（2023）02?0125?07

21世纪人类科技进入高速发展阶段。我国高新科技的三大巨头变成纳米科技、信息科技和生物科技。随着高新技术的不断发展，在航空航天、精密级无损检测、超精密加工、生物医学及高精密医疗器械等方面，对材料的分辨率、精确度、刚度和动态响应的要求越来越高，为了满足日益增长的高分辨率、高精度等要求，压电材料被越来越多研究者所重视和研究，促使新型智能材料不断发展。

“中国制造2025”战略，要求实现亚微米-纳米级精度，逐步带领人类进入纳米技术时代，纳米科技受到广大科研人员的关注［1］。“中国制造2025”战略中提到了对智能材料的研究和对精密系统的开发。智能材料［2］是指具有感知、驱动、选择与控制响应和自调节功能的新型材料。在智能材料中表现最为优越的便是压电材料，它具有體积小、结构简单、控制方便、分辨率高、刚度大及无机械摩擦等优点，被广泛应用于各种需要高精度测量、定位、加工、驱动等领域。

随着现代技术不断成熟，压电材料被制作成传感器、驱动器等，用于精密超精密领域，实现物体微小形变的测量、应力测量、纳米定位及无损检测等。但目前在精密材料表面测量方面，压电陶瓷应用相对较少，主要还是利用相移干涉法对材料表面的微观轮廓进行测量。因此，需要继续对压电材料进行深入探索，不仅研究其在不同领域的应用，还要在结构设计、系统设计及优化等方面深入研究，以实现精密材料表面的压电测量。

1 压电材料

压电材料的主要特性是压电效应，由居里兄弟首次发现并验证。压电效应分为正压电效应和逆压电效应［3］，如图1所示，正压电效应是指当压电材料沿某一固定方向受到外力作用时，内部发生电极化现象，上、下表面产生数量相同极性相反的电荷，这种现象具有可逆性，当外力撤离后，压电材料恢复到不带电状态；逆压电效应是指对压电材料施加交变电场时，引起材料机械形变的现象。

压电材料还具有电致伸缩效应，与逆压电效应的相同之处是电能转换为机械能，不同之处是电致伸缩效应变形是由材料中电介质的极化效应所致。压电效应是一次效应，只存在于非对称晶体中，作为二次效应的电致伸缩则存在于所有晶体中。

自压电效应被居里兄弟发现后，学者们对压电材料进行了深入研究，各种新压电材料不断被发现和制作出来。压电材料根据成分的分类如图2所示。

每种压电材料的优缺点及应用场景不同。其中，压电单晶体因结构无对称中心，压电性相对较弱，介电常数也较低，加工时对其尺寸和形状有一定的要求。但其稳定性要比压电多晶体强，机械品质因子相对较高，最具代表性的是石英晶体。

压电陶瓷的性能则相反，多晶体压电性强，机电耦合系数高，加工时对其外形没有要求，可以做成任意形状；缺点是机械品质低，稳定性较差。但压电陶瓷在价格上优势大，可大批量生产，而且可以进行深加工，与其他功能器件结合，满足不同领域的使用要求，因此被广泛应用在各种需要进行超精密加工的现代科学技术和日常生活中。

2 压电陶瓷的应用

目前，压电陶瓷的应用领域大概分为3类［3］：压电换能器、压电驱动器和压电传感器（表1）。压电换能器的作用是实现不同能量形式间的转换，一般是将机械振动转换为电能，还可实现超声振动能和电能间的转换。压电驱动器是利用逆压电效应，将电能转换为机械能，能够实现机械运动。压电传感器则是利用压电效应，将测量元件的任何应变进行信号输出。

2.1 压电陶瓷在无损探伤领域应用

无损检测技术［4］是指在不损伤被检对象的前提下，利用声、光、电、磁等技术检测被检对象是否存在缺陷或不均匀现象，并且能够给出缺陷的大小、位置、性质和数量。

常用的超声波检测、射线检测、机器视觉检测、涡流检测及振动检测等无损检测方法对于混凝土损伤检测和木结构损伤检测都还停留在初级阶段，无法对内部损伤进行定位和描述，并且传感器价格昂贵。

新型智能材料——压电陶瓷，则具有使用灵活、价格便宜等特点，可以实现对混凝土损伤检测和木结构损伤的定位和智能检测。

压电陶瓷在对材料进行损伤检测方面采用的方法可分为两大类：被动检测和主动检测。

被动检测需要受到冲击或在荷载作用下实现激励，产生应力波，实现对结构冲击荷载的识别。

主动检测则能主动激励产生应力波信号，进行损伤识别。主动检测分为波传播法和压电阻抗法［5～8］。波传播法采用压电陶瓷驱动器和传感器结合，将其嵌入到结构内部或粘贴在结构表面。驱动器和传感器分别产生和接收应力波，应力波在结构内部传播过程中遇到损伤部位就会发生反射、折射等现象，被接收端接收后根据应力波能量变化分析结构损伤状态。压电阻抗法的工作原理是利用压电材料的机电耦合效应，通过施加交变电场，让粘贴在结构表面的压电陶瓷带动结构发生机械振动，当结构受损时，本身的机械阻抗会发生改变，通过对比出现损伤前后的机械阻抗，对结构损伤程度进行估算。因结构机械阻抗受到的影响较多，如开裂、老化、侵蚀等，导致压电阻抗法对结构损伤检测比较片面，不能有效识别受损程度［9］，因此在目前的研究阶段，主要采用波传播法。小波包分析法［10］是基于傅里叶变换的小波函数，是目前对波传播法进行信号分析的主要方法，能够对所有频率信号进行分解。

根据压电陶瓷在无损检测和损伤成像领域的应用，可以选择压电驱动器和压电传感器相结合的方法，采用波传播法对结构损伤进行检测［11］。这种方法目前在混凝土损伤成像、木结构损伤识别检测和钢丝锈蚀检测领域有所应用，因此在压电陶瓷测量精密超精密材料微表面领域可以借鉴。但波传播法在测量结构内部受损时，可能受噪声或其他波长相近应力波的影响，导致对损伤识别和成像有一定影响。

2.2 压电陶瓷在微位移和三维表面测量领域应用

在微位移领域压电陶瓷主要应用在超精密进给系统中，原理如圖3所示。微位移测量工具选用电感测微仪，精度0.01 μm，量程0～10 μm，工作台刚度200 N/μm，位移行程27.6 μm［12］。在压电陶瓷加载电压和压电陶瓷放电过程中，会产生动态位移，压电陶瓷的位移会驱动工作台产生进给运动，同时位移传感器产生位移反馈给控制系统形成闭环控制。将电感测微仪与计算机进行数据通信，利用Matlab或者LabVIEW实现对测量平台的运动控制。

在三维表面测量领域使用的方法主要有机械探针法、光学探针法、扫描探针法和相移干涉法［13］，从表2［14～16］的对比结果可以看出，相移干涉法效果最好。

相移干涉法是一种光电型干涉测试技术。在进行三维物体表面测量时，需将显微镜和筒状压电陶瓷结合，通过计算机控制压电陶瓷驱动参考板沿光轴方向匀速移动，使参考光与测量光之间的相位差随时间做线性变化，利用CCD面阵探测干涉场上各点光强，从N帧光强算式中提取每一点的相位值，由相位与被测表面各点高度转换关系式，可获得被测表面轮廓高度分布［14，15］。根据微位移机构方案设计和相移干涉法对三维微观表面测量，可以将压电陶瓷和压力传感器相结合，通过单片机控制压电陶瓷沿被测物体移动，并通过算法测量压力的变化，得出被测物体的表面轮廓。

2.3 压电陶瓷在压电俘能领域应用

压电俘能器是利用压电振子本身的谐振特性和压电材料的压电效应原理，将环境中的太阳能、振动能、噪声能等转换为电能［17］。此原理在压电陶瓷超声电机中也有应用［18，19］。目前，压电俘能技术主要应用在路面压电发电方面，将车辆行驶产生的机械能转换为电能。

为提高俘能效率，国内外学者对压电材料选取、工作模式、结构类型及工作方式等进行了研究。

在压电材料选取方面，最常用的是锆钛酸铅（PZT）。但文献［17］的研究表明，在高频周期载荷作用下，PZT极易产生疲劳裂纹，发生脆性断裂。因此PZT在压电俘能系统中不能承受过大应力，可以采用压电聚合体聚偏氟乙烯（PVDF），研究表明，PVDF具有高韧性、长寿命及高效率等优点。

在工作模式方面，分为d31模式和d33模式，如图4所示。两种模式的区别在于作用力与极化方向不同，d31模式中两者方向垂直，d33模式中两者方向相同。研究表明，d33的耦合系数比d31的耦合系数高，d31的谐振频率更低［17］，因此d31模式的压电俘能系统比d33模式俘获的能量更多。

在压电元件与材料结合方式方面，分为一体化技术、埋入式技术和集成式技术3种。经对比，压电元件埋入式的性能相对较好，具有产能高、控制能力强等优点［20］。

根据压电陶瓷在压电俘能领域的应用和优化方案，在压电陶瓷测量材料微表面领域，可以借鉴压电俘能技术的工作模式和结合方式。工作模式可分为d31和d33。与材料结合的方式可分为表面粘贴和内部嵌入两种。在压电陶瓷测量精密超精密材料微表面应用中，可以根据实际情况优选出最佳方案。

2.4 压电陶瓷在微定位领域应用

在微定位领域，普遍使用压电陶瓷驱动器作为主要驱动元件。相较于传统定位系统采用电机驱动，压电陶瓷驱动器的分辨率和精确度可以达到纳米级，能够实现精密超精密系统中的纳米定位。

常用压电陶瓷元件按结构可分为片状和叠堆式两种，叠堆式压电陶瓷具有较长的纵向长度和较小的体积，既适用于多种精密领域又具有较大的形变量。研究表明，叠堆式压电陶瓷驱动器的行程一般在10～200 μm，驱动力最大可以达到50 kN，响应时间达到微秒级［21］。

在驱动方面，分为电压驱动和电流驱动两种方式［22，23］。电压驱动易导致驱动电路发热严重，输出误差较大，但在动态性能方面优势较大。电流驱动时压电陶瓷位移线性度较高，但是频率响应迟钝，适用于动态频率响应低的系统。

压电陶瓷输出位移量很小，因此在精密超精密领域应用时需要设计位移放大系统，目前常用的有滚珠丝杠、直线导轨及柔性铰链等［24］。滚珠丝杠、直线导轨等传统机构存在摩擦等客观现象，导致定位精确度不高。柔性铰链结构因结构紧凑、不存在摩擦现象及体积微小等优越性，常用于精密超精密领域，柔性铰链可分为正圆型、椭圆型及直角型等，正圆型和椭圆型铰链结构简单但精度较低，直角型精度高但运动行程受限，需要根据使用要求而定。

2.5 压电陶瓷在微小形变和应力测量领域应用

在微小形变和应力测量领域主要应用压电传感器元件，将压电陶瓷特性应用于力的测量，以及最终变换为力的非电物理量的测量。

在微小形变方面，传统测量方法有游标卡尺、光杠杆等［25］，但满足不了精密超精密领域的需求，因此利用智能材料压电陶瓷和传感器来实现对精密超精密材料微小形变测量是当前重要的研究方向。

在压电传感器使用方面，国内外对此都有研究［26］。利用压电陶瓷和压力传感器结合制作成系统测量端，与单片机和LabVIEW软件组合成系统，对精密超精密材料的微小形变进行测量［24］；利用叠堆式压电陶瓷传感器［27］与机器人关节相结合的方法，实现机械臂关节接触力感知反馈技术［28，29］；将压电陶瓷力传感器内嵌在材料内部，对材料所受压力分布及动态进行测量［30］。

在制作压电陶瓷传感器时，常用方式有串联式和并联式［2，31］，串联式输出电压是并联式输出电压的两倍，并联式输出电容是串联式输出电容的四倍。

压电陶瓷传感器与其他材料结合的方式分为埋入式和粘贴式两种。埋入式是把压电陶瓷嵌入到检测体中，埋入式对压电陶瓷的保护性高，使用寿命长，测量精度和灵敏度高，但是对技术要求较高，比较复杂；粘贴式是通过胶材料把压电陶瓷粘贴在主体表面，粘贴式具有方法简单、使用便捷的优势，可直接检测主体的形变，但是需要经常保养，使用寿命也短。

在精密超精密领域中使用，可以根据具体情况优选制作方式和结合方式。

3 结束语

近些年，新型智能材料广泛应用在超精密机械、超精密制造加工等领域。智能材料中以压电陶瓷为主要研究对象，来检测各种材料振动、形变等现象。总结目前已有成果，展望未来研发方向：

a. 在无损探伤领域，主要利用压电陶瓷驱动器和传感器相结合，采用波传播法进行检测。在实际应用工程中，受到被测结构的厚度、开裂程度等影响，会产生板波导致测量结果误差较大的情况，是需要解决的一个难题。

b. 在三维表面测量领域，采用压电陶瓷材料驱动系统，对测量精度的提高起到了很大作用。但随着科技发展，对测量技术的要求也会越来越高，未来将无损探伤使用的波传播法与三维表面测量结合，可以使现有的测量精度和表面参数评定得到进一步提高，这将是今后的重点研究方向之一。

c. 在压电俘能领域，目前多应用在路面发电方面，重点对压电材料选取、工作模式、结构类型及工作方式等进行对比研究。随着可持续发展战略的推进，利用压电陶瓷技术进行供应及存储电能成为研究热点。在未来，可以从提高电能转换效率和延长使用寿命的方向进行深入研究，如利用位移放大机构等。

d. 在微位移、微定位领域，对叠堆式压电陶瓷特性、驱动方式和位移放大机构进行论述。目前国外在六自由度定位器方面有一定研究。在未来，可以对位移和定位台的精度、运动自由度及自动控制方面进行深入研究，如角度的优化、耦合性的研究等。

e. 在微小形变和应力测量领域，采用压电陶瓷和传感器相结合的方式，对材料所受压力和形变进行测量。同时可以利用压电材料本身的特性，采用压电阀对自感知应力和位移进行研究，脱离对外部传感器的依赖。

总体来说，压电陶瓷在精密超精密领域的研究越来越多，在当今世界科研领域有很大的发展前景，尤其在制造业、半导体行业等高新技术产业有深远的影响。在未来的研究中，可以结合压电陶瓷在上述各种领域中的应用原理和方法进行优选和改进。

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（收稿日期：2022-06-29，修回日期：2022-11-24）

Application and Development of Piezoelectric Ceramics in Precision and Ultra?precision Fields

SHAO Yi?feia， KONG Fan?xinga，b， HE Teng?feia， CHEN Chenga， LI Sheng?nana

（a. College of Information and Control Engineering ； b. College of Electromechanical Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology）

Abstract   The various applications of piezoelectric ceramics in the field of high precision were discussed， including piezoelectric ceramics application in  detecting small deformation of objects， their combined application as a sensing element and resonator， the piezoelectric sensing technologys application in the stress measurement， piezoelectric ceramics application as the actuator in nano?positioning， the damage identification of material components， the nondestructive testing as well as the detection of microscopic contours of three?dimensional surfaces based on phase shift interferometry. In addition， the classification and characteristics of piezoelectric materials were described and the application of piezoelectric ceramics in scientific and technological development was deeply analyzed， including the difficulties in current studies and its future research and development direction were prospected.

Key words   NDT， piezoelectric ceramics， piezoelectric sensor， piezoelectric actuator， surface measurement

基金项目：吉林化工学院博士启动基金项目（吉化院博金合字〔2021〕第031号）。

作者简介：邵逸飞（1998-），硕士研究生，从事检测技术与自动化装置的研究。

通讯作者：孔繁星（1975-），副教授，从事智能制造技术、超精密加工及检测技术等的研究，fanxingks@163.com。

引用本文：邵逸飞，孔繁星，何腾飞，等.压电陶瓷在精密超精密领域的应用及发展［J］.化工自动化及仪表，2023，50（2）：125-130；180.