[發明專利]相變分級的SMA致動器

在審

• 申請號: 201310082906.8
• 申請日: 2013-03-15
• 公開（公告）號: CN103306926A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: A.L.布朗;N.L.約翰遜;P.M.薩羅西
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: F03G7/06
• 分類號: F03G7/06;C22F1/00;C21D1/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 崔幼平;楊楷

技術領域

本發明的示例性實施例涉及金屬形狀記憶合金（“SMA”）致動器，并且更具體地涉及具有獨特的熱響應特性的SMA致動器。

背景技術

形狀記憶合金在本領域中是熟知的。形狀記憶合金是具有至少兩種不同的溫度依賴的相的合金成分。這些相中最為常用的是所謂的馬氏體相和奧氏體相。在下列討論中，馬氏體相通常表示更可變形、更低溫度相，而奧氏體相通常表示更高剛性、更高溫度相。當形狀記憶合金是在馬氏體相中并且被加熱時，它開始變成奧氏體相。在這種現象開始時的溫度常常被稱為奧氏體開始溫度（A_s)。在這種現象完成時的溫度被稱為奧氏體結束溫度(A_f)。當形狀記憶合金是在奧氏體相中并且被冷卻時，它開始變成馬氏體相，并且在這種現象開始時的溫度被稱為馬氏體開始溫度(M_s)。在奧氏體完成轉變為馬氏體時的溫度被稱為馬氏體結束溫度(M_f)。應注意的是，上述過渡溫度是由SMA樣品所經歷的應力的函數。具體地，這些溫度隨著增加的應力而增大。鑒于前述性質，形狀記憶合金的變形通常是在奧氏體過渡溫度或低于奧氏體過渡溫度（在A_s或低于A_s)。高于奧氏體過渡溫度的后續加熱使得變形的形狀記憶合金樣品恢復到其永久形狀。因此，隨形狀記憶合金使用的適當的激活信號是具有足以促使在馬氏體相與奧氏體相之間轉變的幅度的熱激活信號。

歸因于它們的溫度依賴的形狀記憶性質，形狀記憶合金被使用或已被建議使用作致動器或在各種機械和機電裝置或其它應用中需要受控移動的其它元件，舉幾個例子，所述其它應用諸如空氣流控制氣窗、可逆地可展開的握柄、便攜式胰島素泵、以及計算機介質噴出機構。一個通常使用的結構是具有兩個‘記憶’長度的SMA線（wire）的結構，其中通過使線在更長的和更短的記憶長度之間變形，使線附接到在不同的位置之間移動的元件或裝置部件。其它構造也可被利用，諸如可在直的與彎曲形狀之間變形的SMA致動器。用以使SMA致動器在不同的狀態之間變形的熱刺激可為直接的外部熱刺激，諸如從如同紅外線、對流、或傳導加熱元件的熱源施加的熱量。然而，在SMA線致動器的情況下，常常通過簡單地使電流通過線以促使它加熱、并且終止電流使得通過將熱轉移到周圍的更冷環境使線冷卻來施加熱刺激。

形狀記憶合金當被加熱時記憶其高溫形式的溫度可通過合金的組分中的稍微改變以及通過熱機械加工來調節。在鎳鈦形狀記憶合金中，例如，它可從高于約100℃至低于約-100℃變化。形狀恢復過程能夠在僅幾度的范圍內發生或呈現更加漸近的恢復。變形的開始或結束可被控制在1度或2度內，這取決于期望的應用以及合金成分。形狀記憶合金的機械特性在跨越其變形的溫度范圍上變化很大，通常提供形狀記憶效應、超彈性效應和高阻尼能力。例如，在馬氏體相中觀察到比在奧氏體相中更低的彈性模量。在馬氏體相中的形狀記憶合金通過以所應用的應力對晶體結構布置進行重新調整可經歷大的變形。在應力移除之后材料將保持這種形狀。

形狀記憶合金在馬氏體狀態與奧氏體狀態之間作為溫度的函數的轉變在圖1的曲線中描述，其中縱軸線ξ表示在馬氏體狀態中的組分的分數，并且水平軸線T表示溫度。圖1中所示的上面的曲線連同伴隨的指向下并且到右邊的箭頭描繪因溫度的升高所引起的從馬氏體狀態到奧氏體狀態的轉變，且A_s和A_f溫度表示在水平軸線上。圖1中下面的曲線連同伴隨的指向上并且到左邊的箭頭描繪因溫度的下降所引起的從奧氏體狀態到馬氏體狀態的轉變，且M_s和M_f溫度表示在水平軸線上。

對于許多形狀記憶合金，響應于熱刺激，在馬氏體狀態與奧氏體狀態之間的變化可能會相當快地發生，并且反之亦然。這可歸因于各種因素，諸如具有在A_s與A_f溫度和/或在M_s與M_f溫度之間的狹窄的溫度范圍的成分。其它因素包括形狀記憶合金的電特性使得當電流被施加時SMA線的溫度很快地增加經過A_s至A_f溫度范圍。這可導致在SMA致動器的所記憶的形狀或長度之間的相對快速改變，這在許多情況下是不期望的，其中較慢的致動出于審美和/或功能原因是期望的。

因此，期望提供如下形狀記憶合金元件：其中響應于熱刺激，響應可被定制以滿足目標致動速率。

發明內容