压电陶瓷功能材料的特性分析

压电陶瓷（PZT）由于采用铁磁材料，因此具有铁磁材料的特性。在压电陶瓷的特性中，对压电陶瓷致动器精度影响最大的三个特性即迟滞、蠕变和非线性，在要求精度比较高的情况下，还要考虑外加载荷和致动器本身所特有的启动电压等因素的影响。

1.迟滞特性

如图2-11所示，压电陶瓷的升压和降压曲线之间存在位移差称为迟滞现象，如不加处理，会对其应用产生影响。迟滞特性分别表现为升压和降压时，输入和输出的关系与时间变化不对应。通常产生这种现象的材料不仅仅是压电材料，还有超导材料和磁致伸缩材料。迟滞现象影响因素有陶瓷的成分、压电元件的结构、工作电压范围和负载等。

图2-11　压电陶瓷的迟滞特性

2.蠕变特性

当在压电陶瓷致动器上施加一定的电压并保持恒定的时候，其对应的位移值并不是固定值，而是会随着时间变化，经过一段时间后才会达到相对稳定的值。同时，这种现象持续的时间也会随着材料的老化逐步增加，见图2-12。现在消除它的办法只有通过对控制系统进行补偿来实现精度的提高，但前提是有足够高精度的位移检测设备。

图2-12　压电陶瓷的蠕变特性

3.温度特性

压电陶瓷随着温度的变化，其线膨胀系数也会有微小的变化。但其线膨胀系数比一般金属材料的要小。图2-13给出了低压陶瓷（LVPZT）和高压陶瓷（HVPZT）的线膨胀系数的温度变化特性。(www.xing528.com)

图2-13　压电陶瓷的线膨胀系数的温度变化特性

4.非线性

理论上压电陶瓷致动器的位移应当和所施加的电压成线性关系，但在实际运用中，它们并非成线性关系。显然，这种非线性特性是由迟滞特性、蠕变特性、温度特性等多方面的因素决定的。

5.力位特性和使用方法

压电陶瓷具有很大刚度，但是其在外力的作用下也会产生变形，因此也属于弹性元件。压电陶瓷在受到恒值外力和弹簧外力作用下的输出位移特性是有区别的。压电陶瓷的出力是指在压电陶瓷与一个没有任何弹性的机械结构连接时，给压电陶瓷加最大电压，压电陶瓷在无法产生任何位移的情况下所产生的力。

假设把压电陶瓷固连在刚度较大的两物体之间，给压电陶瓷施加其所能承受的最大电压（后简称最大电压），因两物体的刚度很大，故压电陶瓷无法伸长，位移为零，这时其出力为最大出力。但事实上，任何物体都会表现出一定的弹性。当外部机械结构的刚度为零时，给压电陶瓷加最大电压，压电陶瓷产生最大的位移，这时出力为零。只要外部连接机构存在刚度，则压电陶瓷的位移就一定会有损失。位移损失的大小取决于外部机械结构的刚度，外部机械结构刚度越大，损失的位移也就越大，当外部机械结构的刚度与压电陶瓷的刚度相同时，其位移与出力分别为最大位移与最大出力的一半，压电陶瓷的效能得到最大利用。

由于压电陶瓷致动器属于大出力、小位移的电子元器件，因此其在使用时必须注意如下几点。

（1）采用压电陶瓷制作的驱动执行器和需推动物体良好接触、刚性连接，否则执行器位移将部分损失在软性连接上面。

（2）采用压电陶瓷制作的执行器一般不允许空载使用，使用时都需要加一定的预紧力。

（3）采用压电陶瓷制作的执行器和需推动物体连接保证是面接触，切勿使用点接触或者是线接触。执行器使用时必须使执行器出力方向和执行器的轴保持一致。因为执行器属于陶瓷材料，所以脆性较大。