形狀記憶合金驅(qū)動器的研究現(xiàn)狀及展望*

徐小兵, 鄧荊江,2

(1.長江大學(xué) 機械工程學(xué)院, 湖北 荊州 434023； 2.江漢石油管理局技術(shù)監(jiān)督處, 湖北 潛江 433124)

1 前 言

形狀記憶合金是一種兼有感知和驅(qū)動功能的新型功能材料，具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)、高阻尼特性、抗疲勞效應(yīng)、很好的抗腐蝕能力以及生物相容性等優(yōu)點,在航空、航天、工程、醫(yī)學(xué)、驅(qū)動器的感知和驅(qū)動等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。

目前在驅(qū)動器的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)研究方面，最常用的形狀記憶合金分別是：溫控形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，SMA)和磁控形狀記憶合金( Magnetically Controlled Shape Memory Alloy，MSMA)。溫控形狀記憶合金是通過溫度的變化誘發(fā)馬氏體相和母相之間的可逆相變實現(xiàn)形狀記憶功能的，它具有較大的可逆恢復(fù)應(yīng)變和大的恢復(fù)力；而磁控形狀記憶合金則是通過外加應(yīng)力場和磁場誘發(fā)馬氏體相變而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)，它同時兼有大恢復(fù)應(yīng)變、大輸出應(yīng)力、高響應(yīng)頻率和可精確控制的優(yōu)良特性[5-8]。形狀記憶合金與其他材料的性能對照表如表1所列。

表1 形狀記憶合金與其他材料性能對照表[9]

2 SMA驅(qū)動器的工作原理及應(yīng)用

2.1 SMA驅(qū)動器的工作原理

SMA驅(qū)動器是一種利用SMA的形狀記憶效應(yīng)和高溫相和低溫相相互轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的變形對外做功的自動化裝置。其工作實質(zhì)是：在低溫馬氏體狀態(tài)下使SMA元件發(fā)生變形，在升溫的過程中通過形狀記憶效應(yīng)對外輸出位移并做功。

一種典型的溫控形狀記憶合金驅(qū)動器的工作原理如圖2所示[10-11]。驅(qū)動元件采用NiTi合金，將其做成螺旋彈簧形式。低溫時母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，形狀記憶合金彈簧變軟，由于氣體壓力的作用，形狀記憶合金彈簧被壓縮，關(guān)閉閥門。溫度上升到室溫時，形狀記憶合金彈簧中的馬氏體逆相變?yōu)槟赶?，產(chǎn)生較大的形狀恢復(fù)力，克服氣體壓力，使形狀記憶合金彈簧伸長，打開閥門[12-14]。

2.2 溫控形狀記憶合金驅(qū)動器的應(yīng)用

在應(yīng)用研究方面比較常見的SMA驅(qū)動器是單程驅(qū)動器和雙程驅(qū)動器：單程驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，但不能實現(xiàn)往復(fù)運動；而雙程驅(qū)動器無需外力的干預(yù)，系統(tǒng)自身可以自動實現(xiàn)往復(fù)運動。因此工程應(yīng)用中比較常用的是雙程驅(qū)動器。而雙程SMA驅(qū)動器按照所用偏置元件的不同分為差動式雙程SMA驅(qū)動器和偏動式雙程SMA驅(qū)動器兩類。下面主要介紹這兩種典型的SMA驅(qū)動器[15]。

第一種：差動式雙程SMA驅(qū)動器。它是利用兩個以上SMA元件組合而成實現(xiàn)雙程動作特性的。它的工作原理如圖3(a)所示。差動式驅(qū)動器的兩側(cè)都用SMA元件，當(dāng)對一側(cè)SMA加熱而對另一側(cè)的SMA冷卻時，由于兩根SMA 作用于驅(qū)動器的合力作用而使驅(qū)動器向一側(cè)旋轉(zhuǎn)。同理，反向加熱和冷卻時，驅(qū)動器可以向相反方向旋轉(zhuǎn)。差動式驅(qū)動器要比偏動式驅(qū)動器控制復(fù)雜，因為要對兩側(cè)的SMA彈簧分別加熱和冷卻[16-17]。

第二種：偏動式雙程SMA驅(qū)動器，它是利用單程SMA元件和其它部件組合在一起實現(xiàn)雙程動作的。它的工作原理如圖3(b)所示。偏動式驅(qū)動器的兩側(cè)，一根為SMA，另外一根為普通彈簧，加熱SMA即輸出偏置力，SMA和彈簧作用于驅(qū)動器的合力使驅(qū)動器向SMA一側(cè)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)對SMA進(jìn)行冷卻時，驅(qū)動器將向普通彈簧一側(cè)偏轉(zhuǎn)[18-19]。

圖2 微型閥結(jié)構(gòu)圖[10] 圖3 雙程SMA驅(qū)動器

3 MSMA驅(qū)動器的工作原理及應(yīng)用

3.1 磁控形狀記憶合金驅(qū)動器的工作原理

MSMA驅(qū)動器是一種利用MSMA的奧氏體相在外加磁場的作用下產(chǎn)生馬氏體相而發(fā)生形狀的改變，通過改變溫度或去掉磁場的方式經(jīng)逆相變恢復(fù)到原來的奧氏體相，同時產(chǎn)生較大的回復(fù)力，從而對外做功的自動化裝置[20-21]。

一種典型的磁控形狀記憶合金驅(qū)動器的工作原理如圖4所示。圖中磁場由電磁鐵產(chǎn)生，磁場大小與方向可通過調(diào)節(jié)電磁鐵勵磁繞組的電流控制。當(dāng)勵磁繞組里有電流通過時，電磁鐵產(chǎn)生垂直于MSMA元件的磁場，則MSMA元件在磁場的作用下發(fā)生伸長變形。磁場去掉以后，MSMA元件保持變形后的形狀不變，此時通過加在MSMA元件上的彈簧壓力使其恢復(fù)變形，從而實現(xiàn)驅(qū)動功能[22-23]。

圖4 磁控形狀記憶合金驅(qū)動器的工作原理

3.2 磁控形狀記憶合金驅(qū)動器的應(yīng)用

目前國外如芬蘭的AdaptaMat公司已將NiMnGa合金作為驅(qū)動材料應(yīng)用于驅(qū)動器的制造中[24]。國內(nèi)也有對MSMA驅(qū)動器的開發(fā)和研究作了大量工作的，如大連理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等。下面主要介紹沈陽工業(yè)大學(xué)研究的三種典型的MSMA驅(qū)動器。

第一種：根據(jù)仿生學(xué)蠕動原理將MSMA小步距的位移連續(xù)累加形成所需的大行程的驅(qū)動器即蠕動型直線驅(qū)動器如圖5所示[25-26]。將MSM材料固定在一個長型槽內(nèi)，一連桿與其相連，連桿帶一彈簧，移動軸左右分別裝設(shè)一夾鉗，兩夾鉗分別固定在底座和連桿上。它的工作原理為：欲使移動軸向右移動，在施加磁場前，先將左夾鉗松開而右夾鉗夾緊。當(dāng)施加外磁場之后，由于移動軸被右夾鉗夾緊，MSM在磁場作用下沿水平方向向右伸長，帶動移動軸向右移動。在去掉磁場前，使左夾鉗夾緊而右夾鉗松開，當(dāng)磁場去掉后，因軸被左夾鉗夾住，MSM在彈簧作用下收縮恢復(fù)原形，相當(dāng)于驅(qū)動器移動軸向右移動一步，重復(fù)上述操作，直線驅(qū)動器便可連續(xù)運動，改變左右夾鉗控制順序便可使其反向運動[27]。

第二種：根據(jù)帶恢復(fù)彈簧的MSMA驅(qū)動器磁場勵磁功率大、恢復(fù)彈簧壓力不易調(diào)整和MSMA變形受溫度影響比較大的等缺點，研制了一種差動式MSMA驅(qū)動器如圖6所示[28-29]。兩塊相同的永磁體用來產(chǎn)生偏置磁場，左右兩側(cè)相同的勵磁線圈用來控制磁場。它的工作原理為：當(dāng)勵磁線圈的電流為零時，通過上下兩塊MSM元件的磁場都僅有永磁體產(chǎn)生，而兩塊永磁體是一樣的，產(chǎn)生的磁場大小也應(yīng)該相同，所以處于兩塊MSM元件中間的連桿停在中間位置。當(dāng)勵磁線圈里有電流通過時，由勵磁線圈產(chǎn)生的磁場將在增強通過一個MSM元件的磁場的同時削弱通過另一個MSM元件磁場。當(dāng)通過上下兩塊MSM元件的磁場大小不一樣時，MSM元件的變形也不一樣，連桿隨之發(fā)生偏移。MSM驅(qū)動器連桿的位置可以通過改變勵磁電流的幅值與方向來控制[30-32]。

第三種：在差動式MSMA直線驅(qū)動器的基礎(chǔ)上，研制了一種旋轉(zhuǎn)式MSMA驅(qū)動器如圖7所示[27]。它是一種通過超越離合器將MSMA元件產(chǎn)生的直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的驅(qū)動器，在永磁體偏置磁場基礎(chǔ)上，通過改變控制磁場勵磁電流的大小和頻率可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

圖5 蠕動型直線驅(qū)動器 圖6 差動式MSMA驅(qū)動器

圖7 旋轉(zhuǎn)式MSMA驅(qū)動器

4 總結(jié)展望

形狀記憶合金驅(qū)動器與其他驅(qū)動方式相比，有以下優(yōu)點：①驅(qū)動器的功/重比大；②驅(qū)動機構(gòu)簡單；③驅(qū)動器工作時無污染和噪音；④SMA具有傳感功能；⑤驅(qū)動電壓低。

目前，對于形狀記憶合金驅(qū)動器的研究雖然取得了一定的進(jìn)展，然而在材料研發(fā)方面和具體應(yīng)用方面還有一些問題需要進(jìn)一步研究：

(1) 形狀記憶合金驅(qū)動器的響應(yīng)速率，不僅取決于加熱速度，而冷卻速度也直接影響其響應(yīng)速率，因此在設(shè)計驅(qū)動器時，為了達(dá)到理想的響應(yīng)速率，需要研究更便捷的冷卻方法。

(2) 溫控形狀記憶合金驅(qū)動器的動作是依靠溫度變化而實現(xiàn)的，如果只依靠環(huán)境溫度的變化，溫控形狀記憶合金驅(qū)動器的應(yīng)用范圍將很有限。因此需要考慮其他的加熱方式來提高它的使用范圍和使用價值。

(3) 磁控形狀記憶合金的某些特性還不夠理想，尤其是工作溫度范圍太窄，在材料理論和應(yīng)用方面還需進(jìn)行深入的研究和探討。

(4) 為了滿足SMA 驅(qū)動器在實際應(yīng)用中準(zhǔn)確控制和快速響應(yīng)的要求，需設(shè)計一種控制精度好并且驅(qū)動頻率高的控制方法。

(5) 對于MSMA的傳感器特性進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究，為今后MSMA應(yīng)用于自傳感執(zhí)行器中提供理論指導(dǎo)。

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