CN102124130A - 用于超高机械阻尼的超弹性合金结构几何形状 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有晶体超弹性合金的机械结构，晶体超弹性合金的特征在于平均晶粒尺寸且其特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变。超弹性合金的构造具有尺度不大于约200微米且不大于合金的平均晶粒尺寸的合金几何结构特征。该几何特征被设置成接受机械应力输入。

Description

用于超高机械阻尼的超弹性合金结构几何形状

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年7月9日提交的美国临时申请No.61/134,363的优先权，在此以引用的方式将其整体并入。

关于联邦资助研究的声明

本发明在美国军方研究室(Army Research Office)裁定的合同No.W911NF-07-D-0004的政府支持下完成。美国政府在本发明中享有特定权利。

技术领域

本发明总体上涉及用于抑制机械振动和机械冲击震动的方法，更具体而言，涉及用于抑制机械振动和冲击震动的材料和结构。

背景技术

通过机械阻尼抑制机械振动噪音和冲击震动是在材料中广泛寻找的性质，不仅是作为科学关注的问题，也是为了实现新技术。在尺寸从宏观尺度到介观尺度、微观尺度、甚至纳观尺度的范围内提出的大量机械和机电系统主要依赖于至少最小的振动和冲击震动抑制以维持系统操作的完整性。的确，没有振动抑制或机械隔离，许多复杂的机械系统可能会发生故障或受损，或者仅仅显示次最优的操作性能。

作为一类材料，形状记忆合金(SMA)已被证实在宏观尺度系统中表现出机械阻尼。形状记忆合金响应于温度或施加应力的变化在两种不同形态的相之间经历可逆变换。在宏观尺度SMA结构中已经表明，在这样的变换期间在这两相之间的内部界面的产生和运动耗散能量，从而在使用宏观尺度SMA结构的机械系统中提供机械阻尼。

但是，对于许多机械系统而言，常规的宏观尺度阻尼结构无效或者甚至不适用。例如，在微机电系统(MEMS)中机械阻尼的改善目前受到关注，微机电系统通常基于微电子材料和平面微制造技术，并且许多应用需要微机电系统无故障地机械运行几亿、甚至几千亿个机械循环。这样的微观尺度系统以及纳观尺度系统，通常不服从于常规阻尼结构。

尽管阻尼和疲劳特性对于MEMS具有头等重要性，但是这些性质经常在折衷的对立面。例如，通过在空气中包装MEMS结构或暴露于环境空气，可以形成空气挤压膜，其可有助于结构或直接环境中的伪机械振动的阻尼。但是，硅MEMS结构可能会因暴露于空气期间的氧化机理而疲劳。可以通过真空包装而减轻产生的氧化疲劳，但发现这样加剧了机械冲击和噪音从MEMS组件的使用环境传递到MEMS组件。因此，真空包装会相应降低针对危险环境振动的耐久性。因此，在先进传感和致动MEMS技术中，结构完整性或机械操作性能之一经常必须因为另一个而让步。

这个例子证实，对于一定尺寸范围的许多机械系统，如果没有在针对环境状况防护方面的需求让步、没有在操作性能、精度或可靠性方面的限制、或者没有在系统成功方面偏向另一种考虑，则机械阻尼要求经常不能充分满足。迄今为止，常规的机械阻尼构造使这样的让步成为必需，因此限制了机械系统在介观尺度、微观尺度和纳观尺度范围的应用。

发明内容

本发明克服了常规机械阻尼构造的限制，提供了一种能够设置成实现优良机械阻尼和冲击振动防护的机械阻尼结构。在本发明的一个方面中，机械结构具有晶体超弹性合金，晶体超弹性合金的特征在于平均晶粒尺寸且其特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变。超弹性合金的构造具有尺度不大于约200微米且不大于合金的平均晶粒尺寸的合金几何结构特征。该几何特征被设置成接受机械应力输入。

通过这种设置，本发明的机械结构能够实现超高的阻尼特性和仅几毫秒量级的响应时间。这些品质为新一代更精确和可靠的MEMS和增长中的纳观尺度装置和系统种类以及大范围的介观尺度和宏观尺度系统提供了实用的解决方案。

本发明提供一种相应的机械阻尼系统，在本发明的一个方面中，所述系统包括机械系统和机械支持体，机械应力通过所述机械支持体输入。由至少一种晶体超弹性合金结构在所述机械系统和所述机械支持体之间提供机械连接，所述晶体超弹性合金结构具有平均晶粒尺寸且其特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变。超弹性合金结构的构造提供合金的几何结构特征，包括尺度不大于约200微米且不大于平均晶粒尺寸的结构特征。所述几何结构特征在此被设置成接受输入的机械应力。

在本发明的另一个方面中，提供一种机械阻尼系统，其包括具有输入端的机械壳体和机械支持体，机械应力通过输入端输入。由至少一种晶体超弹性合金结构在所述壳体和所述支持体之间提供机械连接，所述晶体超弹性合金结构具有平均晶粒尺寸且其特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变。超弹性合金结构的构造提供合金的几何结构特征，包括尺度不大于约200微米且不大于合金的平均晶粒尺寸的结构特征。所述几何结构特征被设置成接受输入的机械应力。

从以下的说明、附图和所附权利要求书将更清楚本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1A是本发明结构的奥氏体-马氏体-奥氏体变换循环中的四种状态的示意图；

图1B是图1A中描绘的变换循环的四种状态的施加应力和相应产生的应变的曲线；

图2是本发明的一定范围内的块状宏观尺度结构和微观尺度结构的机械阻尼优良指数的曲线；

图3A-3E分别是本发明提供的例示超弹性合金微柱、线或纤维、平面结构、开孔泡沫形状和管的示意图；

图4A-4E分别是本发明提供的例示超弹性合金悬臂、膜、桥、带和垂直壁的示意图；

图5A-5C分别是本发明提供的例示超弹性合金纤维织物、超弹性合金纤维束和超弹性合金纤维编织物的示意图；

图6A是包括根据本发明的机械振动阻尼用微柱阵列的机械系统的示意图；

图6B是机械系统的示意图，它包括具有根据本发明的机械振动阻尼用超弹性合金微柱、超弹性合金纤维、超弹性合金纤维束和超弹性合金纤维缆的壳体；

图7A是直径约为450μm的本发明实验性超弹性合金纤维的施加应力和测量应变的曲线；

图7B是直径约为26μm的本发明实验性超弹性合金纤维的施加应力和测量应变的曲线；

图8A-8C是十三个本发明的实验性超弹性合金纤维的马氏体临界应力和奥氏体临界应力之间的差异随纤维直径变化的曲线；

图8D是图8B数据的对数曲线，加入了微柱的数据(其数据在图9A-B中绘制成曲线)和1.6微米直径的另外微柱的数据(正方形符号)以及来自文献的宏观尺度线的数据(三角形符号)；

图9A是0.9微米直径的本发明超弹性合金微柱两个奥氏体-马氏体-奥氏体变换循环的偏转深度随施加应力变化的曲线；和

图9B是本发明的两个块状超弹性合金晶体和超弹性合金柱的测量应变随施加应力变化的曲线。

具体实施方式

本发明在于发现了一类超弹性合金结构，其几何结构特征尺寸与合金特性结合产生了出乎意料的效果，由此在几何特征的微观尺度和纳观尺度下，本发明的合金结构能够可逆地耗散超过相应块状形态两倍的机械能，同时机械阻尼性质远超相应的宏观尺度块状材料和结构。如下面详细说明的，这种由于本发明的超弹性合金结构实现的超高阻尼可以用于大范围的应用，以在机械和机电系统尺寸的宏观尺度、介观尺度和微观尺度中均抑制机械振动和冲击震动。

本发明的超弹性合金表现出可逆的相变，包括形状记忆合金(如，铜基合金，例如Cu-Al-Ni合金)以及大范围的其它下述超弹性合金。本发明的超弹性合金耗散机械能的基本机理是通过它们在被称为奥氏体的高温相和被称为马氏体的低温相之间的可逆热弹性马氏体变换。在这两相之间的变换通过原子晶格的快速剪切以产生相应的结构形状变化而发生。

奥氏体-马氏体相变也可通过在恒温下向合金结构施加机械应力而诱发。根据本发明为了耗散超弹性合金结构中的能量而开发的正是这种机械应力诱发的相变。

参照图1A-1B，描绘了根据本发明的例示柱结构的奥氏体-马氏体相变循环的各个阶段。在图1A中，显示了处在弹性变形的起始状态(I)的根据本发明提供的奥氏体的柱10。当用充分的力将机械应力12施加于该柱以超过临界应力值σ_c(σ_c对于所选的柱材料、柱结构几何形状和柱尺寸的组合是特性的)时，在原始奥氏体相内诱发与施加应力相适应的马氏体变体14，如图1A的第二状态(II)所示，从而在柱结构内产生马氏体-奥氏体界面。

如图1A的第三状态(III)所示，随着施加应力12的维持，马氏体-奥氏体界面被驱动而穿过材料移动，由此可将基本上所有奥氏体变换成马氏体14。然后，如图1A的第四状态(IV)所示，当施加的应力减小时，在柱的机械卸载期间发生从马氏体到奥氏体的逆变换。当应力完全撤消时，柱恢复至它在图1A的起始状态(I)。该变换行为的可逆性被称为超弹性。超弹性合金结构可通过重复变换而循环。

图1B是在可逆相变期间在诸如图1A的柱的结构中施加的机械应力和产生的相应机械应变的概括曲线。这种超弹性合金的应力-应变曲线显示与柱加载及卸载施加的机械应力相应的特性滞后环。与图1A示出的四种变换状态的每一个相应的机械应变在图1B的曲线中确定，也确定临界应力值σ_c，当材料从奥氏体变成马氏体时，σ_c的施加引起状态(II)和(III)之间的应变大量增大。如图所示，作为可逆的、可重复的超弹性材料性质的标志，卸载后，合金柱的应变反应回到循环开始时的应变反应。

在图1A描绘的奥氏体-马氏体-奥氏体的变换循环中，柱材料的内部相界面，即柱内的奥氏体相与马氏体相之间的界面，在它们的形成和移动期间耗散大部分可获得的机械能。图1B的曲线的滞后环内的面积16是在变换循环期间由这种在柱内的界面形成和运动所耗散的每单位体积的能量的定量度量。正是柱材料的这种能量耗散提供了在变换循环期间吸收震动能量和/或阻尼机械振动的机制。

根据本发明发现，具有本发明指定的几何特征尺寸并由本发明的超弹性合金形成的结构可以在超弹性相变期间耗散格外大量的能量，同时机械阻尼优良指数基本高于相应的块状材料。这些特性使得能够将本发明的超弹性合金结构组装到宏观尺度、微观尺度和纳观尺度系统中，重要的是，组装到MEMS和NEMS中，作为对于振动和震动敏感的应用能够实现新一代更安全、更可靠的机电系统的微米和纳米阻尼器。本发明的合金结构被动地提供这些特性，即无需在机械致动或其它操作期间主动控制。在下面的讨论中，描述了所发现的能够实现这种超高阻尼性质的本发明超弹性合金结构的材料和结构特性以及特征。

首先，总体上考虑根据本发明的超弹性合金结构耗散的能量的定量分析，在图1A的变换循环中界面的成核和运动期间由相界面耗散的能量可以基于象图1B那样(此处针对本发明的例示微柱)的应力-应变曲线进行评估。对于非线性行为，如超弹性材料(如形状记忆合金)所表现出来的，机械阻尼系数Ψ定义成

其中

作为对于应力-应变循环中的施加应力σ，每单位材料体积的最大储存机械能而给出，

作为在图1B的曲线中在应力-应变循环期间取得的滞后环16的面积而给出，它表示对于循环，每单位材料体积耗散的能量。

为了总体上比较在本发明结构的应力-应变循环期间的能量耗散结果与一定范围内的结构和材料的阻尼测量，优选使用应力-应变循环的损耗因数η或机械阻尼系数，或内摩擦

其中

是应力-应变曲线中应变和应力之间的滞后相角，因为损耗因数和内摩擦表示每单位体积耗散的能量。在目前仅考虑正应力-应变循环的情况下，机械阻尼系数η可定义为：

$\mathrm{\η}=\tan \left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{\mathrm{\ΔW}}{\mathrm{\π}\·W_{\max }}---\left(1\right)$

传统上，在横梁弯曲负载或柱体压缩负载的结构应用中，具有每单位体积最大阻尼的刚性设计的优良指数(merit index)或品质因数(figure of merit)由下式给出：

E^1/2·η  (2)

其中E是杨氏模量。应当注意，对于其它结构几何形状和负载条件，存在其它关注的优良指数，但对于此处的分析，上面的定义足够。

图2是对一定范围内的材料和结构而言，由上面表达式(2)定义的结构阻尼品质因数的曲线。为了建立用于比较的共同基础，所有绘成曲线的值采用室温或接近于室温下的等温阻尼，压缩频率约为1Hz，实验条件是在撤销施加的压缩应力时没有残余变形剩余。从图2的曲线看出，在传统上用作高阻尼材料的块状材料中，Cu-Mn合金显示最高的阻尼优良指数，约为0.5。在此之下，存在一组阻尼优良指数约为0.4的高阻尼材料，包括纯Cd、共晶In-Sn和Pb-Sn、Ti-Ni块状形状记忆合金和块状Cu-Al-Ni单晶，使用宏观压缩试验测量它们的特性。

如图2的曲线所示，如下面详细描述的，根据本发明提供的两个实验性微柱的特征在于阻尼优良指数约为0.9，这与η＝0.190±0.003的明显高的机械阻尼损耗因数相应。提供该数据的两个实验性微柱由根据本发明的Cu-Al-Ni合金形成，柱高度约为5.3μm和3.8μm，柱直径约为柱高度的1/3。

本发明的这些超弹性合金微柱的优良指数超过Cu-Al-Ni的相应块状单晶的两倍，并且远在最高性能的块状材料的优良指数之上。根据发现，本发明的微观尺度结构和纳观尺度结构所实现的这种出乎意料高的阻尼品质因数不能由相同材料的相应块状形状所预测；相同材料的块状晶体未显示这种超高阻尼性质。因此，一方面，具有微柱几何特征的本发明的合金结构的特征在于，对于上面表达式(2)的指数，机械阻尼的优良指数超过约0.5，假设是柱几何形状的刚性和阻尼的最佳组合。

本发明的结构包括一个或多个由超弹性材料(如形状记忆合金(SMA))形成的几何特征，其特征在于，在合金材料内响应于施加为临界相变应力σ_c或高于临界相变应力σ_c的机械应力而形成马氏体相，σ_c是在所选结构形状中和在应力施加的特定温度下的材料特性。根据本发明采用的材料显示真正的超弹性变换性质，即在完全应力-应变变换循环结束时回到应变起始状态，如图1A那样。图1B的应力-应变曲线显示应变的滞后，这是本发明所要求的可逆的、应力诱发的奥氏体-马氏体-奥氏体变换循环的标志。

下表I是在本发明的结构的超弹性几何特征中可以采用的例示材料的列表。该表不是穷尽的，也不是限制性的，可以理解其它已知的材料和待发现的材料也可按本发明的需要使用。本发明不限于特定的材料，而限于在本发明的结构设置中显示本发明的超高阻尼性质的一类材料。

表I

根据本发明使用的超弹性材料是晶体材料，可按单晶或多晶形态提供。对于许多应用，可优选单晶材料。当所选的材料是多晶时，晶粒可限定在晶界或在结构几何特征的一个或多个自由表面上，这些表面是结构几何特征的一部分；对于许多应用，可优选各个晶粒延伸至超过一个自由表面边缘。多晶材料的特征在于平均晶粒尺寸。材料的晶粒尺寸可以达到或大于结构的几何特征或者达到整个结构。此处术语“晶粒尺寸”意在描述单晶和多晶材料的平均晶粒尺寸；对于单晶材料，材料的晶粒尺寸根据定义达到整体结构。

对于多晶材料，本发明需要晶粒尺寸满足相对于结构尺寸的限制。无论根据本发明的结构选择什么几何形状和构造，通常都要求结构材料的晶粒尺寸至少为相同尺度，优选大于结构的最小超弹性合金几何特征的尺度。换言之，结构的最小超弹性合金几何特征不大于材料的晶粒尺寸。

转至证实这种几何特征尺寸要求的例示结构，图3A显示了象图1A所示那样的超弹性柱结构10。柱10的特征在于直径d，它是柱的最小几何特征；即，直径比柱高度小得多。柱直径d不大于柱材料的多晶晶粒20的尺度。因此，晶粒20跨越整个柱直径。图3B显示了第二个例子，示出了超弹性合金纤维或线25。线的特征在于直径d，它是线的最小几何特征，比线的长度小得多，且它不大于线的多晶晶粒20的尺度。因此，晶粒20跨越整个线直径。如图3B所示，这种设置导致所谓的竹状线结构，其中通常跨越线直径的晶粒沿着线的长度设置。

转至图3C，显示了本发明提供的超弹性合金膜、层或平面结构28形式的结构的例子。平面结构28的特征在于厚度t，它是结构的最小几何特征，比平面结构的宽度或长度小得多。平面结构的厚度不大于结构的晶粒20的尺度，由此晶粒通常跨越结构的整个厚度。

图3D显示了本发明提供的结构的另一个例子，此处在超弹性合金开孔泡沫30的构造中，整个泡沫具有孔筋。根据本发明，各个孔孔筋单元的跨度w是开孔泡沫的最小几何特征，该跨度不大于结构的晶粒20的尺度，由此晶粒通常跨过泡沫的整个孔筋的跨度而延伸。

图3E显示了本发明提供的结构的另一个例子，此处在超弹性合金管29的构造中具有管壁厚度x。根据本发明，管的壁厚度x是管的最小几何特征，且该壁厚度不大于结构的晶粒20的尺度，由此晶粒通常跨越管壁的整个厚度。

通过这些例子证实，本发明的结构的特征在于至少一种超弹性合金几何特征跨度，材料晶粒通常跨过所述跨度完全延伸。结构的其它几何特征(例如，柱高度、纤维长度、膜宽度和长度、或其它特征)的跨度相对于材料晶粒尺度的尺寸不受限制。结构的最小超弹性合金几何特征的跨度优选不大于且最优选小于晶粒尺寸，使得材料晶粒通常可以跨过最小特征跨度完全延伸。

只要满足对于结构的最小超弹性合金几何特征的这种尺寸限制，本发明的结构就无需完全由单一几何形状构成。换言之，本发明的结构可以不仅仅包括图3中的管、板、柱或其它几何形状。图3的几何形状作为特别好地说明本发明各方面的例子而呈现，但本发明的结构可包括另外的特征和元素以及这些元素的组合。的确，本发明的结构通常可包括任意数量的几何特征和这些特征的设置。另外，本发明的结构可包括超弹性材料部分和/或包括超弹性材料的一个或多个几何特征，无需整个结构由超弹性材料形成。本发明的结构可包括一种或多种超弹性材料的、各种尺寸和构造的若干不同的几何特征。无论采用何种结构设置，均将超弹性合金的最小特征指定为具有不大于超弹性材料的晶粒尺寸的尺度。在这种情况下，晶粒通常跨越超弹性合金的最小特征的尺度。

因此，本发明不局限于特定的构造、设置或几何形状。可采用各种结构，包括柱、线、纤维、横梁、悬臂、桥、薄膜、隔膜、丝带、带子、板、开孔或闭孔泡沫或其它所选的几何形状和几何形状的组合。本发明不局限于特定的结构设置，反而考虑提供所需几何特性的结构和材料类别，以证实本发明的超高阻尼特性。

在一个实施方案中，本发明的结构进一步的特征在于尺度小于由相应的块状材料从奥氏体到马氏体的变换所产生的相区域尺度的至少一种超弹性合金几何特征。由于这种要求，一个或多个马氏体区域完全跨过合金结构特征而延伸。这种构造的一个例子通过图1A的柱显示。在该例子中，柱直径是尺度小于马氏体区域尺度的特征。如图1所示，在第二状态(II)中，响应于施加的机械应力12在柱中开始形成马氏体区域14。马氏体区域完全跨过柱直径延伸。随着更多的马氏体区域14形成，如图1A的第三状态(III)，这些另外的区域也完全跨过柱直径延伸。

通过这种构造，马氏体区域跨过结构特征延伸，到达结构的一个或多个自由表面。图3A-3E显示的例子就是这种情况。对于完全跨过柱10的直径d延伸的马氏体区域，该区域到达柱的纵向侧壁。同样，对于完全跨过纤维或线25的直径d延伸的马氏体区域，该区域到达线的纵向侧壁。对于完全跨过平面结构28的厚度t延伸的马氏体区域，该区域到达结构的平表面。对于完全跨过泡沫孔筋宽度w延伸的马氏体区域，该区域到达孔筋的边缘。对于完全跨过管的宽度x延伸的马氏体区域，该区域到达管壁的内和外边缘。

除这些相对特征尺寸要求外，根据本发明，存在对于本发明结构的进一步规定的绝对几何特征尺寸要求。在一个实施方案中，对于任何结构几何形状、构造、设置以及材料的组合，本发明要求结构的最小超弹性合金几何特征的尺度不超过约200微米，尺度优选小于100微米。在第二个实施方案中，本发明要求结构的最小特征的尺度不超过约200微米且尺度大于约2微米。在另一实施方案中，要求最小结构特征尺寸小于约1mm，且尺度可小于约200微米、尺度小于约50微米、尺度小于约10微米和尺度小于约1微米。在另一实施方案中，最小结构特征尺寸的尺度可以为约0.5微米-200微米。

根据本发明的另一方面，也基于需要施加于结构以引起所选结构材料的马氏体相变的机械力的量级来选择超弹性合金几何特征尺寸。如上所述，一旦在合金结构中达到临界机械应力σ_c(它是合金的特性)，本发明的超弹性合金开始从奥氏体相变换到马氏体相。在向超弹性合金结构施加机械应力期间，必须在应力施加点的局部应力集中使结构的奥氏体相产生塑性变形之前达到这个临界应力。换言之，随着增大施加于结构的应力而触发应力诱发的马氏体相在结构中形成和生长，优选防止结构的局部塑性变形。

结果，对于所选的超弹性合金材料，优选将要被施加外部机械负载的结构特征设计成足够小，以在奥氏体因施加的力而塑性变形之前从奥氏体变换成马氏体。通过保证在结构的施力点上，施加于马氏体形成用特征所需的负载充分低于材料的奥氏体相的塑性变形的屈服点，从而获得这种条件。

例如，再次参照图1A，如应力箭头12所示，在柱顶部将机械应力12局部施加于柱10时，在柱顶面在应力的施加位置可能会诱发局部塑性变形。为了避免这样的状况，从而维持结构的超弹性，根据结构材料组成来选择结构特征尺寸，以保证在将施加的应力增大至马氏体形成所需的临界应力量级时防止结构的塑性变形。

通过将本发明的结构设置为包括一个或多个具有基于上面的考虑而选择的尺寸的超弹性合金几何特征，本发明人在此发现本发明的结构显示出乎意料的能量耗散水平，使得本发明的微柱具有图2的曲线所给出的非常高的阻尼品质因数。根据理解，本发明结构的奥氏体-马氏体-奥氏体变换的两个方面导致了这种高品质因数。第一，在应力施加期间，本发明结构开始马氏体变换的临界应力σ_c高于相同组成的宏观样品在相同温度下开始马氏体变换所需的临界应力。

本发明结构所需的临界应力的这种增大有效地与本发明结构中的奥氏体相的稳定化相应。尽管不束缚于理论，但是可以理解，这在本发明结构中的实现是因为结构设计导致缺乏马氏体的成核点(通常位于晶粒边界)、其它显微结构特征或应力集中的表面缺陷。由于结构的最小超弹性合金几何特征小于晶粒尺度，使得基本没有微结构，没有晶粒边界本身特定地跨过几何特征尺度，并且由于在没有应力集中位置的情况下施加的机械应力，在结构内抑制了马氏体成核点。

在块状合金中，还已知的是马氏体在位错核心上成核。通过小到足以适应位错滑移到结构表面以及逃离结构表面的容易性的结构特征跨度，也抑制了这样的成核位错点。因此，根据本发明发现，在本发明结构的机械负载时，存在很少马氏体的低应力成核点，并且在变换成马氏体之前施加于结构上的机械应力比相应的块状材料大得多。

在本发明结构中能够实现高阻尼品质因数的变换循环的第二方面是对在应力卸载时从马氏体到奥氏体的逆变换的尺度补偿效果。发现对于本发明的结构，这种变换在比对这种结构的预期小得多的施加负荷量级下发生。在块状超弹性合金中，当应力诱发马氏体变换时，材料的马氏体相的机械压缩提供产生相界面并回到奥氏体相的驱动能。马氏体相的机械压缩也产生与形状和各相之间的体积适配有关的储存的弹性能，因为马氏体在约5μm～约200μm的特性长度的条状结构中形成。在宏观样品中，正是这种储存的弹性能在施加的应力撤消时促进从马氏体到奥氏体的逆变换。

相反，在本发明的结构中，马氏体变体跨越整个结构特征，在结构的一个或多个自由表面上减轻马氏体区域的储存的弹性能，而不是提高变换成奥氏体的趋势。本发明结构的马氏体相的稳定性因此增大，并且仅当从结构撤消施加的应力期间达到非常低的施加应力值时才发生到奥氏体的逆变换。

由于通过在几何形状上除去马氏体成核点而稳定本发明结构中的奥氏体，并且由于自由表面上的松弛效应改进了本发明结构中的马氏体的稳定性，因此结构的马氏体变换应力非常高，奥氏体变换应力非常低，并且作为本发明结构的特性的应力-应变曲线和负载-位移曲线显示非常大的滞后以及相应地非常大的阻尼品质因数。

如上所述，在实现这种出乎意料的高阻尼品质因数时，将本发明结构设置成使得马氏体横跨满足上面给出的尺寸要求的超弹性合金几何特征而形成。尽管马氏体变换按剪切机理进行，并因此可通过微观尺度上的剪切应力局部诱发，但对宏观上施加于本发明结构的负载形式没有要求，对在结构上施加外部负载以获得本发明的优良机械阻尼性质的位置也没有要求。例如，图3A的柱、图3B的纤维或线、图3C的薄膜、图3D的开孔泡沫和图3E的管的机械阻尼能力可在牵引、压缩、扭转、弯曲、冲击、重力或其它所选施加力的条件下实现。在所有这些多样的负载模式下，具有上面给出的必需尺寸的超弹性合金几何特征的马氏体片完全跨越这些特征结构。因此，本发明的结构适用于大范围的机械输入条件且不限于特定的输入构造。

因此，本发明的结构可按任何合适方式设置有一定范围的超弹性合金结构元件，以针对给定的应用产生所需的结构设置。例如，参照图4A，可将平面合金结构设置为支持在衬底34上的悬臂梁32。如图4B所示，可将平面合金结构设置为通过衬底34支持在膜边缘上的自支撑板或膜36。或者，可在支持体或衬底34上设置拱桥状合金表面结构38。可在本发明的结构中形成其它构造，如图4D中那样，比如可自由地放置于或组装到结构中的合金带40。参照图4E，在设置本发明结构时，也可相对于衬底34或其它结构竖直地设置平面合金结构42。如上所述，总的来说，在构造这样的结构时，可以包括非超弹性的结构元件和几何特性，并且组装到根据本发明的结构中。这样的非超弹性元件可在能够实现超弹性合金的相变的任何合适构造中与超弹性合金接触或连接。另外，可在结构构造中包括两个或更多个不同的超弹性合金特征。

相似地，本发明的超弹性合金纤维或线可以针对所选的结构构造和应用按任何合适的设置而构造。参照图5A，可将本发明的超弹性合金线或纤维25纺织成纤维片45以形成所选结构，可按织物的方式将该结构用作纤维纺织品。如图5B所示，可将这样的合金线或纤维捆扎成纤维25的束48，纤维针对所选应用在束内扭曲、编织或以其它方式构造，包括共轴设置。如图5C所示，纤维或线25可编织成编织构造50，所述编织构造50用于生产线或纤维的编织片、管或其它构造。在这样的包括超过一根单独的线或纤维的结构中，一根或多根纤维或线可以是超弹性合金，同时编织物或纺织物中包括一根或多根非超弹性纤维或线。或者，结构中的所有纤维或线可以是一种或多种超弹性合金组成。

根据本发明，针对宏观尺度以及微观尺度和纳观尺度应用，可将本发明的超弹性合金结构设置成用在吸收来自机械和机电系统的机械震动、用于抑制机械振动和耗散机械能的应用中。参照图6A，在一个例示构造中，提供了包括本发明的柱结构10的阵列的振动抑制系统55。柱10的阵列设置在机械支持体58上，机械支持体58被设置成例如通过与移动结构或其它环境条件的界面接受包括机械力和振动的机械输入12。柱10的阵列设置在机械支持体58的与机械输入相对的一侧上，并与例如其上设置有机械系统62(例如MEMS结构或设备)的平台60连接。随着机械力12在支持体58上输入，柱结构10通过奥氏体-马氏体变换而重复循环，从而使机械振动发生阻尼，以将MEMS设备与机械输入机械地分离。注意，为了实现柱结构在它们的阻尼角色中的这种致动，不需要主动控制或能量输入；这种致动完全是自动和自控制的。

参照图6B，同样可将本发明的超弹性合金线和纤维设置成用于机械震动吸收和振动阻尼。在该例子中，设置有用于接受机械输入12的壳体65，此处显示了向壳体施加张力，如果对于给定的构造需要这样的话。壳体65通过一种或多种本发明的超弹性合金结构与机械支持体68连接；此处作为说明性例子显示了一定范围的结构。例如，可在机械壳体和机械支持体之间连接一个或多个结构柱10、纤维或线25、纤维或线的束48以及纤维或线的缆49或编织物。随着机械应力12(例如张力)输入至壳体，所有超弹性合金结构通过奥氏体-马氏体-奥氏体变换而循环，阻尼振动并吸收输入至壳体的震动能。再次注意，为了实现这种机械阻尼，无需主动控制或能量输入；本发明的结构自动地致动而耗散壳体65和机械支持体68之间的能量。

现在转至本发明提供的用于生产本发明超弹性合金结构的技术，超弹性合金纤维或线可通过任何合适的方法生产，包括例如泰勒线热拉、型锻(swaging)、辊轧、挤出、拉挤和固态拉丝等。无论使用何种纤维生产方法，根据本发明优选的是，得到的超弹性纤维均排列成沿着纤维长度具有竹状微结构，这意味着纤维晶粒之间的边界通常跨越纤维直径，如图3B的纤维25所示。这种竹状微结构减小了材料中的晶界接合点的数目，而晶界接合点可能是优先的破裂位置。这种破裂对于许多多晶形状记忆合金是常见的，其特性是相当脆，并且由于例如在晶粒边界和晶界接合点处的应力集中，可能会造成相变期间的晶粒位移导致的晶间断裂。本发明的竹状纤维微结构可以限制这样的晶间断裂，且无需单晶结构制造的复杂性而获得单晶合金的材料性质。

在一个很合适的方法中，本发明的超弹性合金纤维通过泰勒线热拉生产。在该方法中，将所选的超弹性合金材料熔化并置于玻璃管中，从中利用机械作用以均匀拉制速度拉制纤维。纤维在管子内以低真空或惰性气体气氛拉制，从而抑制纤维拉制时的熔融合金的氧化。在拉制期间，以高到足以在纤维固化时防止纤维变形且低到足以维持高温奥氏体相的冷却速率将纤维冷却。从中拉制纤维的管子优选由与所选合金材料相容的玻璃形成，且其特征在于拉制温度大于合金熔点且小于合金沸点，粘度温度行为允许合金熔体在管子中固化后快速玻璃结晶化。优选地，管子玻璃的热膨胀系数合理地接近于所选的合金，以避免合金熔体在管子中冷却期间产生热应力。

在本发明提供的一个例示泰勒线热拉方法中，将所选的合金(例如CuAlNi合金)熔化并从约4mm内径的硼硅酸盐Pyrex玻璃管拉制，拉制温度为约例如1100℃-1150℃之间，拉制速度选为产生所选的纤维直径；拉制速度越快，纤维直径越小。例如，约3-4米/秒的拉制速度足以生产直径约为20微米的纤维。一旦从玻璃管拉制出所选直径的纤维，优选在比共晶温度高得多且低于液相线温度的所选温度下(例如，对于例示CuAlNi合金，优选约850℃-950℃)根据结构尺寸将纤维退火合适的时间(例如1-3小时)，然后在冷水中淬火。这种退火-淬火过程使晶粒沿着纤维长度具有竹状微结构并促进高温奥氏体相的形成。

可以理解，一定范围的生产技术可用于形成超弹性合金纤维和线，且本发明不局限于特定的生产技术。纤维和线可通过例如机械型锻、固态拉制、挤出、拉挤、微流延或其它所选的技术形成。无论使用何种技术，优选的是，如果纤维是多晶，则生产出通常沿着纤维长度跨越纤维直径的晶粒竹状微结构。

本发明的其它超弹性合金结构通过任何可生产给定应用所需的结构几何和材料组成的所选方法来制造。超弹性合金膜、板和平面结构可通过例如磁控溅射法、气相沉积法、真空淀积法、电沉积法或其它所选的材料淀积法来生产。无论使用何种方法来形成膜、板或平面结构，根据本发明，该结构均可用沉积后退火循环处理，以形成等于或大于膜、板或结构厚度的合适奥氏体相的多晶晶粒。具有合金孔筋的开孔泡沫可通过将熔体渗入预制件、然后从预制件中化学浸出而形成。在所有情况下，晶粒尺寸等于或大于结构最小特征的尺度。

转至其它结构制造方法，可将体型微机械加工和面型微机械加工(比如干和湿刻蚀)以及材料沉积用于生产衬底及其它支持结构，并用于将所选的超弹性合金特征与其它结构组件整合。如果将要从块状单晶合金形成超弹性合金结构，则可以使用聚焦离子束(FIB)微机械加工或其它机械加工或刻蚀技术，以从块状单晶的一部分的表面形成诸如微柱等结构。也可按所选的设置将超弹性合金结构特征手动排列，并放置于衬底或其它支持结构以及其它结构组件或机械系统组件上，如图6A-6B的系统中的那些。

实施例I

以熔融形态生产熔点约为1100℃的Cu 81.3重量％-Al 13.7重量％-Ni5重量％的超弹性合金组成，并拉制成不同直径的超弹性合金纤维。通过泰勒线热拉利用软化温度约为820℃、工作温度约为1200℃、内径约为4mm的80.6重量％SiO₂、12.6重量％B₂O₃、4.2重量％Na₂O和2.2重量％Al₂O₃的硼硅酸盐Pyrex玻璃的玻璃管生产纤维。在低真空下在高于熔点的温度下拉制纤维。得到直径约450微米到直径约20微米的范围内的十三种不同的纤维直径，拉制速度约为1-4m/s。一旦拉制出，在氩气氛下在约850℃的温度下将纤维退火约1小时，然后在冷水中淬火，以使纤维具有竹状微结构。然后，通过将纤维浸在10％氟化氢(HF)水溶液中约10-15小时将纤维上的玻璃涂层除去，避免纤维的表面点蚀。

使用TA Instruments Q800 Dynamic Mechanical Analyzer(动态机械分析仪)对所有纤维进行单轴拉伸试验。在这些试验中，纤维竖直放置，并连在顶部的固定夹子和底部的可动夹子上。以恒定速率将单轴拉伸力施加于可动的底部夹子上，以使纤维变形。在此，力增大和减小的速率对于测量超弹性和阻尼性不是至关重要的，因为纤维中的奥氏体-马氏体变换很快发生，因此发现对于试验设备能达到的速率在名义上是和速率无关的。通过可动底部夹子下方的高分辨率线性光学编码器测量纤维的伸长率。因此，顶部和底部夹子之间的纤维的整个部分等于宏观尺度或块状样品的传统拉伸试验中的标准长度。整个夹子和中间加载的纤维封装在小的、双线绕制的炉子中，炉子与气冷附件相结合，为约30℃～约100℃温度下的等温试验提供精密的温度控制。

对于每种纤维试验的每个变换循环，记录高于马氏体区域开始形成时应力的临界应力并记录低于奥氏体形态开始恢复时应力的临界应力。因此，马氏体临界应力值σ_M和奥氏体临界应力值σ_A之间的应力差Δσ定义为Δσ＝σ_M-σ_A。

图7A-7B是分别按上面所给方法对两种合金纤维(即，直径约为450μm的纤维和直径约为26μm的纤维)试验的测量的应力-应变数据的曲线。如图7A的曲线所示，对于450μm直径的纤维，马氏体临界应力值σ_M和奥氏体临界应力值σ_A之间的平均临界应力差Δσ约为12MPa。如图7B的曲线所示，发现对于26μm直径的纤维，马氏体临界应力值σ_M和奥氏体临界应力值σ_A之间的平均临界应力差Δσ约为61MPa。

对于针对十三个实验性纤维测量的每个应力-应变滞后循环计算这种平均临界应力差。图8A-8C是所有十三个实验性纤维分别在三个温度T(即T＝A_f，除去负载后马氏体可在该温度或该温度以上完全回到奥氏体)、T＝A_f+10℃和T＝A_f+20℃下的平均临界应力差Δσ的线性图。图8D是图8B的曲线各值的对数曲线，还包括对于直径为3000μm的常规合金棒测量的临界应力差的值(如在Otsuka等人，Acta Metallurgical，第24卷，第207-226页，1976中记载的)，用三角形显示。如下面实施例II所述，对根据本发明生产的两个实验性微柱测量的临界应力差的值在该曲线中用正方形显示。

本发明人发现，对于直径为200μm以下的超弹性合金纤维，临界应力差Δσ出乎意料地显著高，其值至少约为20MPa。如图8D的对数曲线所示，这些高值沿着临界应力差Δσ和纤维直径之间的直线关系落下。直径为3000μm的常规纤维显示大致符合常规宏观尺度材料的临界应力差Δσ的变平。这个结果证实，在奥氏体-马氏体变换循环期间，与常规块状和宏观尺度超弹性合金构造相比，本发明的结构在能量耗散方面表现出显著增大。

实施例II

表征Cu-Al-Ni合金Cu-13.7Al-5Ni(重量％)的[001]取向的单晶。该合金表现出M_s＝291K，M_f＝273K，A_s＝285K和A_f＝303K的变换温度，分别对应于马氏体相开始和结束的温度以及奥氏体相开始和结束的温度。该合金在室温下处于奥氏体相(立方)，因此对于应力诱发的变换成β′马氏体(单斜)敏感。

使用FEI Dual Beam DB235仪器通过聚焦离子束(FIB)微机械加工生产微观尺度和纳观尺度合金柱。从块状Cu-Al-Ni[001]单晶切下的部分的表面来机械加工每个柱。然后使用Hysitron Triboindenter并使用半径为0.6μm的球体-锥体金刚石压头端通过仪器化的纳米压痕在柱上进行微压缩试验。一个例示实验性微柱显示出顶部直径约为0.750μm、平均直径约为0.900μm和高度约为3.8μm的略微锥形形状。

在该实验性微柱上进行纳米压缩试验。在小心地将压头的尖端放在柱上后，以250μN/s的负载-卸载速率进行多次循环压缩试验，直到120μN的最大负载，相当于约1Hz的循环频率。

图9A是对微柱进行10个压缩循环后实验获得的负载-位移曲线，说明负载-卸载曲线的重现性。在负载期间，在约95μN的负载下，由于应力诱发的马氏体变换和奥氏体-马氏体界面的运动，在2毫秒内积聚突然和急剧的80nm的位移冲击(2.2％应变)。在卸载时，逆变换在约45μN的较低负载下开始，并在约22μN的负载下完成。卸载后没有残余变形，证实了本发明结构的完全可逆的超弹性。

图9B是Cu-13.7Al-5Ni(重量％)的块状单晶在363K和305K的两个温度下以及上面刚描述的本发明微柱在295K下的应力-应变曲线。按照块状晶体的克劳修斯-克拉贝龙(Clausius-Clapeyron)方程，可以预期在295K的应力应变响应低于在305K获得的应力应变响应，临界应力σ_c＝17MPa。然而，微柱表现出与宏观尺度块体相当不同的行为，临界应力几乎高十倍，σ_c＝147MPa。

临界应力的＞130MPa的增量表明奥氏体相的稳定性增大，相当于在233K的预期热变换，而不是对块状单晶测量的291K。热变换温度的这种降低在实验上通过微柱在扫描电子显微镜中的原位冷却证实：在该实验中，制备Cu-13.7Al-4.5Ni(重量％)的块状晶体，带有使用Ga离子枪磨成块体的微柱。使用FEI XL30 SEM的冷却平台。在250K下块体成块地变成马氏体，并由显示的条状结构证明。但是，微柱本身不变换。

通过上面的描述证实，本发明提供了以下发现：预期本发明的超弹性合金结构的阻尼具有非常高的优良指数，并且通过结构的一种或多种微观尺度或纳观尺度几何特征得以实现。由于它们超高的阻尼特性和仅几毫秒量级的响应时间，本发明的超弹性合金(如上述Cu-Al-Ni形状记忆合金)的结构为新一代更精确和可靠的MEMS和增长中的纳观尺度装置和系统种类提供了实用的解决方案。

当然，可以理解，在不脱离本发明对现有技术的贡献的精神和范围的情况下，本领域技术人员可对上述实施方案作出各种修改和增加。因此，应该理解，在此寻求的保护范围应认为延及在本发明范围内的主题权利要求及其所有等同物。

Claims (46)

1.一种机械结构，其包括：

晶体超弹性合金，所述晶体超弹性合金的特征在于平均晶粒尺寸且其特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变；和

超弹性合金的构造，所述超弹性合金的构造提供尺度不大于约200微米且不大于合金的平均晶粒尺寸的合金几何结构特征，所述几何特征被设置成接受机械应力输入。

2.如权利要求1所述的结构，其中用于引起马氏体相变的特性第一临界应力小于使结构塑性变形的塑性变形应力。

3.如权利要求1所述的结构，其中几何结构特征尺度小于超弹性合金的马氏体区域的尺度。

4.如权利要求1所述的结构，其中合金的各个晶粒延伸至超过所述几何结构特征的一个自由表面边缘。

5.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金的特征还在于由机械应力输入减小至特性第二临界应力以下引起的奥氏体相变，所述几何结构特征中的第一临界应力和第二临界应力之间的差异至少为约20MPa。

6.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金包括形状记忆合金。

7.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金晶粒结构是单晶。

8.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金晶粒结构是多晶。

9.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金的特征在于在约室温下的奥氏体相。

10.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金含有铜。

11.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金含有铝。

12.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金含有镍。

13.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征的尺度大于约2微米。

14.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征的尺度不大于约100微米。

15.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征的尺度不大于约50微米。

16.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金的构造包括合金柱，提供作为柱直径的几何结构特征。

17.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金的构造包括合金线，提供作为线直径的几何结构特征。

18.如权利要求17所述的结构，其中所述线的特征在于竹状晶粒结构，其中晶粒跨过线直径延伸。

19.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的带，提供作为带的厚度的几何结构特征。

20.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的纤维，提供作为纤维直径的几何结构特征。

21.如权利要求20所述的结构，其中所述纤维的特征在于竹状晶粒结构，其中晶粒跨过纤维直径延伸。

22.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的悬臂，提供作为悬臂厚度的几何结构特征。

23.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的桥，提供作为桥的厚度的几何结构特征。

24.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的膜，提供作为膜的厚度的几何结构特征。

25.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的板，提供作为板的厚度的几何结构特征。

26.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的开孔泡沫，提供作为泡沫孔筋的跨度的几何结构特征。

27.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的闭孔泡沫，提供作为泡沫孔表面的厚度的几何结构特征。

28.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的编织纤维片，提供作为至少一种纤维的直径的几何结构特征。

29.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的纤维束，提供作为至少一种纤维的直径的几何结构特征。

30.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的纤维缆，提供作为至少一种纤维的直径的几何结构特征。

31.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的纤维编织物，提供作为至少一种纤维的直径的几何结构特征。

32.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征被设置成吸收来自机械应力输入的机械冲击能量。

33.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征被设置成阻尼来自机械应力输入的机械振动。

34.如权利要求33所述的结构，其中对于所述几何结构特征而言，机械振动阻尼的特征在于机械阻尼的优良指数为至少约0.5。

35.如权利要求33所述的结构，其中对于所述几何结构特征而言，机械振动阻尼的特征在于机械阻尼的优良指数为至少约0.9。

36.如权利要求33所述的结构，其中对于所述几何结构特征而言，机械振动阻尼的特征在于机械阻尼系数大于约0.15。

37.一种机械阻尼系统，其包括：

机械支持体，机械应力通过它输入；

机械系统；和

由至少一种晶体超弹性合金结构在所述机械系统和所述机械支持体之间提供的机械连接，所述晶体超弹性合金结构具有平均晶粒尺寸且特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变，超弹性合金结构的构造提供合金的几何结构特征，包括尺度不大于约200微米且不大于平均晶粒尺寸的结构特征，所述几何结构特征被设置成接受输入的机械应力。

38.如权利要求37所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括合金柱。

39.如权利要求37所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括合金柱的阵列。

40.如权利要求37所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括至少一种合金纤维。

41.如权利要求37所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括至少一种合金纤维缆。

42.一种机械阻尼系统，其包括：

具有输入端的机械壳体，机械应力通过输入端输入；

机械支持体；和

由至少一种晶体超弹性合金结构在所述壳体和所述支持体之间提供的机械连接，所述晶体超弹性合金结构具有平均晶粒尺寸且特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变，超弹性合金结构的构造提供合金的几何结构特征，包括尺度不大于约200微米且不大于合金的平均晶粒尺寸的结构特征，所述几何结构特征被设置成接受输入的机械应力。

43.如权利要求42所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括合金柱。

44.如权利要求42所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括合金柱的阵列。

45.如权利要求42所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括至少一种合金纤维。

46.如权利要求42所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括至少一种合金纤维缆。

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