CN101782053B - 利用形状记忆激活来获取、存储和转换能量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用形状记忆激活来获取、存储和转换能量。一种获取、储存和转换自然存在能量的系统和方法，包括在环境激活信号或条件下暴露活性材料(更优选地为形状记忆元件)，通过所述元件的假塑性应变或假塑性变形获取部分能量，通过引起所述元件的变化和/或接合锁定机构来存储所述能量，并且通过将所述机构暴露于激活信号和/或以其它方式释放所述机构来转换能量。

Description

利用形状记忆激活来获取、存储和转换能量
本申请要求了2008年3月31日提交的美国专利申请号序列号为NO.12/059861的替为“METHODS OF DEPLOYING A COVER UTILIZINGACTIVE MATERIALAND AN EXTERNALHEAT SOURCE(利用活性材料和外部热源展开盖罩的方法)”的优先权并作为其部分继续申请，其公开的内容引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种获取、存储和转换自然或环境能量的机械系统和方法，尤其涉及利用形状记忆材料来实现同样目的的系统和方法。
背景技术
活性材料，例如形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)，已经越来越多地应用于机械领域从而通过激活信号将获取的能量转换为功。在去激活后(即，终止暴露于激活信号)，材料一般恢复其原始的状态。可以明了，与对等的电动-机械、液压及气动马达相比，使用活性材料元件提高了能量效率，同时降低重量和复杂性。然而，令人担心的是，这些系统和方法一般要依赖于由自动和/或手动启动源产生的人工发生信号(例如电流、磁场或压降)。例如，车辆的充电系统经常用来以车辆设置驱动基于活性材料的系统。尽管提供了所需的激活能力，但是必须包含这些启动源导致了整个系统工程设计、构造、操作和维修成本的提高。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了利用SMA、SMP或其它活性材料从自然或环境源中获取、存储和转换能量的系统和方法。这样，除了其它优势之外，本发明在利用例如风和自然水流的，丰富的、用之不竭且免费的能源方面是有益的。另外，为了产生所需的激活，本发明的系统进一步有益于方便地存储由所述激活材料获取的激活能量(即，在一个周期内保持获取的能量，从而使其能够延时释放)。
在优选的实施例中，提出了一种利用形状记忆合金元件获取、储存和释放自然存在的能量的方法。通常，该方法包括将所述元件暴露于能量自然存在的环境中(例如空气或水流)，通过吸收部分能量来获取并存储部分能量，从而对所述元件进行假塑性形变或超弹性变形，在改变的状态下保持存储元件，并通过将所述元件暴露于激活信号(包括自然存在的环境)，使得所述部分能量转变为功，或者释放锁定机构，使得所述元件恢复到其原始状态。在一个优选的实施例中，解锁所述元件也包括暴露包含例如SMP的锁定机构到自然存在的激活信号中的步骤。
以下通过对优选实施例和其附图的详细描述，包括SMA/SMP偏压弹簧的使用以及范例性的锁定机构，本发明的其它方面和优点将变得明显。
附图说明
参照相应的附图，详细描述了本发明优选的实施例，其中：图1是按照本发明优选实施例的系统的正视图，其包括SMA能量储存弹簧，附接于SMA弹簧的偏置弹簧，和包括插销的锁定机构；图1a是图1所示系统的正视图，其中，SMA弹簧被完全激励，因此使得偏置弹簧由于更高的弹性模量而伸长；图1b是图1和1a所示系统的正视图，其中，SMA弹簧处于去激励状态但是在激活状态下被插销锁定，因为储存和偏置弹簧试图恢复到其初始状态；图2是按照本发明优选实施例的图1所示系统的正视图，其中，锁定机构为包括形状记忆扭转弹簧的棘爪；图3是按照本发明优选实施例的图1所示系统的正视图，其中，锁定机构为基于棘轮机构的齿轮，齿轮由SMP制成，从而在激活时提供柔性轮齿(插图中显示出)，并且齿轮还进一步附着在SMA金属丝上，方便在激活时脱离；图4是包括活性材料(例如：碎浪器，流域出口(basin outlet)等)元件的系统处于自然存在环境中(例如，水压/流)的正视图；图4a是按照本发明优选实施例包括活性材料元件的太阳伞的透视图，活性材料元件配置成在激活时自动打开伞，当所述元件去激活时，偏压弹簧配置成自动闭合伞；图5是按照本发明优选实施例的车辆透视图，其使用具有被动致动和收起致动器的可展开的遮光罩；和图6为按照本发明优选实施例飞轮和活性材料元件为转矩增强装置的示意性正视图。
具体实施方式
本发明涉及一种获取、存储和转换形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)的激活能量的系统10。更具体的，基于各种SMP制剂(包括热塑性的和热固性的SMP)的温度、光照、和/或湿度激活模量变化的储存方法；基于SMA的热量和应力激活的刚度(弹性模量)变化以及形状记忆(这些是伴随在马氏体和奥氏体之间的相变的变化)的方法；及其结合都包括在本发明的范围之内。
这里更加具体地公开了优选的应用方式，通过获取和储存太阳能和/或在不常见的应用中使用废热能来获取、存储和转换环境或自然能量用以改进车辆性能和燃料经济性。例如，通过基于SMA棘轮的机构的周期性的热激活；遮光帘展开的致动器；以及门、后背箱或动力锁的释放/接合，能量可以储存于行人碰撞的防护罩提升弹簧(未示出)。另外，系统10可用于实现自驱动和自动控制的汽车系统，包括分布式的被动激活密封(例如门的摆动面板和车身之间的密封)，针对安全特性的需求释放分布式能源存储，例如可逆地膨胀的内部衬垫(padding)。最后，自然能量转换为可用于实现无线嵌入式低功耗(MEMS)的传感器和执行器，例如，以分布式的结构健康监测和激活方式。
系统10在结构上包括活性材料元件12，例如SMA弹簧/金属丝，当激活时，使得其实现记忆形状或修改的特征值；而当去激活时，返回到非激活状态(对照图1-1b)。然而，可以明了，某些活性材料在激活信号中止时不会自动恢复，且在这种形状下，要利用可选择的方式将活性材料恢复到其原始状态。
该发明系统10也使用了锁定机构14(图1-3)，其保持了能量储存元件12的形状或特性的变化。机构14可是常规的，或象这里描述的，也可包含构造成通过自然和/或环境信号的吸收来实现锁定的活性材料。
I.活性材料的描述及其功能
这里使用的名称“活性材料”应当给出本领域普通技术人员所理解的基本含义，并包括暴露于外部信号源时其基本(例如化学或内在物理)属性显示可逆变化的任何材料或复合物。因此，活性材料将包括响应于激活信号改变其刚度属性、形状和/或尺寸的那些组分，针对不同的活性材料，激活信号可采用电、磁、热及其类似场的类型。
本发明中优选的活性材料包括但不限于形状记忆材料及其组合物。形状记忆材料通常是指能够记住其初始的至少一种属性(例如形状)，随后在外部激励的作用可回忆起来的材料或组分。这样，初始形状的变形为一暂时状态。通过这种方式，形状记忆材料响应于激活信号可变化成训练的形状。范例中的形状记忆材料包括上述形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)，以及形状记忆陶瓷，电活性聚合物(EAP)，铁磁性形状记忆合金，电流变流体(ER)组分，磁流变(MR)组分，介电弹性体，离子聚合物金属复合材料(IPMC)，压电聚合物，压电陶瓷，上述材料的不同组合等等。
形状记忆合金(SMA)通常指的是一组金属材料，当其受到合适的温度激励时，表现出具有恢复先前定义的形状或大小的能力。形状记忆合金可经过相变，其中其屈服强度、刚度、尺寸和/或形状随温度变化。术语“屈服强度”是指在材料表现距应力和应变比发生特定偏离时的应力。一般来说，在低温，或马氏体相下，形状记忆合金可塑性变形，在接触更高温度下，会转变为奥氏体相，或母相，从而恢复成变形之前的形状。只有在加热时才表现出形状记忆效应的材料被称为具有单向形状记忆。那些在再冷却时也表现出形状记忆的材料称为具有双向形状记忆行为。
形状记忆合金存在各种不同的与温度相关的相。这些相中最常用的是上述所谓的马氏体和奥氏体。在随后的说明中，马氏体相一般是指更多可变形的，较低温度的相，而奥氏体相一般指的是硬度更高，温度更高的相。当形状记忆合金处于马氏体相并加热时，其开始转变为奥氏体相。该现象开始的温度被称为奥氏体开始温度(As)。该现象结束的温度被称为奥氏体完成温度(Af)。
当形状记忆合金处于奥氏体相并冷却时，其开始转变为马氏体相，该现象开始的温度被称为马氏体开始温度(Ms)。奥氏体完成向马氏体转变的温度称为马氏体完成温度(Mf)。通常，形状记忆合金在马氏体相下较软且更易变形，而在奥氏体相下硬度更大，刚度更强，和/或刚性更大。鉴于上述情况，适合用于形状记忆合金的激活信号是具有可引起马氏体和奥氏体相之间转变的量级的热激活信号。
取决于合金成分和加工过程，形状记忆合金可表现出单向形状记忆效应，固有的双向效应，或非固有的双向形状记忆效应。退火处理的形状记忆合金通常只表现出单向形状记忆效应。在形状记忆材料的低温变形之后充分加热将促使马氏体的向奥氏体类型转变，并且材料将恢复到原来的退火的形状。因此，只有在加热时才能观察到单向形状记忆效应。包含表现出单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料不会自行重新成形，而可能会需要一个外部机械力来重新形成其之前适于气流控制的形状。
固有的和非固有的双向形状记忆材料由在加热时从马氏体相到奥氏体相的形状转变，以及在冷却时从奥氏体相到马氏体相的附加形状转变来表征。由于上述的相变，表现出固有形状记忆合金效应的活性材料是由可引起活性材料本身自动重新成形的形状记忆合金组分制成的。固有的双向记忆效应必须通过处理过程在形状记忆材料内诱发。这些过程包括在马氏体相时材料中的极端变形，在约束或负载下的加热-冷却，或表面改性(如激光退火，抛光，或喷丸)。一旦材料经训练出现双向形状记忆效应，在低温和高温状态之间的形状变化通常是可逆的，并且可在多个热循环内持续。相反，出现非固有双向形状记忆效应的活性材料是复合材料或多组分材料，它们将表现单向效应的形状记忆合金组分与提供重新形成初始形状的恢复力的其它成分组合。
加热时，形状记忆合金记得其高温形态的温度可通过合金组分的微小变化以及热处理过程来调整。例如，镍钛形状记忆合金可在大约100℃以上到大约-100℃以下的范围变化。形状恢复过程出现在只有几度的范围之内，且依靠理想的应用和合金组分，转变开始和结束温度可控制在一或两度之内。形状记忆合金的力学性能在它们转变时的温度跨度范围内会有很大变化，通常为系统提供形状记忆效应、超弹性效应以及高阻尼容量。
适当的形状记忆合金材料，包括但不限于，镍钛基合金，铟钛基合金，镍铝基合金，镍镓基合金，铜基合金(如铜锌合金，铜铝合金，铜金合金和铜锡合金)，金镉基合金，银镉基合金，铟镉基合金，锰铜基合金，铁铂基合金，铁铂基合金，铁钯基合金，等等。只要合金成分呈现出形状记忆效应，例如，在形状方向、阻尼容量或类似方面发生变化，这些合金可以是二元、三元或高元的。
形状记忆聚合物(SMP)在本领域是公知的，通常是指在受到适当的热激励时，能够恢复到先前定义形状的一组聚合物材料。形状记忆聚合物能够经历相变过程，在此其间它们的形状随温度变化。通常，SMP具有两部分，硬部和软部。先前定义的或永久的形状可通过在高于最高的热转变温度下融化或加工，随后将其冷却到热转变温度以下来得到。最高热转变温度通常是玻璃转变温度(Tg)或硬部熔点。临时形状可通过将材料加热到高于Tg或软部的转变温度但是低于Tg或硬部的熔点的温度来得到。临时形状可在软部的转变温度下处理材料随后冷却以固定其形状来固定。材料可通过将其加热到软部转变温度以上来恢复成永久形状。
例如，聚合物材料的永久形状可为基本上呈直线形状且限定第一长度的金属丝，而临时形状可限定比第一长度短的第二长度的类似金属丝。在另一个实施例中，材料可呈现为在激活时具有第一弹性模量和在去激活时具有第二弹性模量的弹簧。
永久形状恢复所需的温度可设置在大约-63℃至大约120℃或以上之间的任何温度。设计聚合物的组分和结构，其本身允许为理想的应用选择特定温度。形状恢复优选的温度大于或等于大约-30℃，更好地大于或等于大约0℃，最优选的温度是大于或等于大约50℃。同时，优选的形状恢复温度小于或等于大约120℃，且最优选的是小于或等于大约120℃且大于或等于大约80℃。
合适的SMP包括但不局限于热塑性材料、热固性材料、互穿网络、半互穿网络或混合网络。聚合物可以是单一的聚合物或混合的聚合物。聚合物可以是线性的或带侧链或枝状结构元素的分枝的热塑性弹性体。适合形成形状记忆聚合物的聚合物成分包括但不局限于：聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚氨酸、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烃基烯、聚丙烯酰胺、聚亚烷基二醇、聚烷撑氧、聚对苯二甲酸亚烷基酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚卤代乙烯、聚酯、聚交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨基甲酸酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯及其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的范例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙醇)、聚(丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚(己基丙烯酸酯)、聚(异癸基丙烯酸酯)，聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(苯基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(异丙基丙烯酸酯)、聚(异丁基丙烯酸酯)和聚(十八基丙烯酸酯)。其他合适的聚合物的范例包括：聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯代聚丁烯、聚(十八烷基乙烯基醚)乙烯醋酸乙烯、聚乙烯、聚(环氧乙烷)-聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚已酸内酯一聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己酸内酯)丙烯酸酯-n-丙烯酸丁酯、聚(冰片基多面体低聚硅倍半氧烷)、聚氯乙烯、尿烷/丁二稀共聚物、聚氨基甲酸酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二稀-苯乙烯嵌段共聚物等等。
如上所述，尽管主要针对SMA和SMP进行了描述，但其它活性材料的使用包含在本发明范围之内，例如电活性聚合物(EAP)。电活性聚合物包括那些响应于电场或机械场呈现出压电的、热电的或电致伸缩属性的聚合物。EAP的范例包括离子聚合物金属复合材料、导电聚合物、压电材料等，其中术语“压电”是用来描述一种当施加电压时材料会机械变形或相反地当机械变形时会产生电荷的材料。
通常，这些材料利用柔顺性电极的作用，其能响应于施加电场或机械应力使得聚合物薄膜在平面方向膨胀或收缩。例如具有压电聚乙烯(偏氟乙烯三氟乙烯)共聚物的电致伸缩接枝的弹性体。这样的组合能够形成不同数量的铁电电致伸缩分子复合系统。这些可用作压电传感器或甚至是电致伸缩致动器。
适合用作电活性聚合物的材料可包括任何基本上绝缘的聚合物或橡胶(或它们的组合物)，其响应于静电力而变形，或者其变形导致了电场的变化。适合于用作预应变聚合物的范例性材料包括硅弹性体、丙烯弹性体、聚氨基甲酸酯、热塑性弹性体、包含PVDF的共聚物、压敏式胶粘剂、含氟弹性体、包含硅和丙烯酸单体的聚合物等等。包含硅和丙烯酸单体的聚合物可包括例如包含硅和丙烯酸单体的共聚物、包含硅弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物共混物。
用作电活性聚合物的材料可基于一个或多个材料特性来选择，例如高的电断裂强度、低的弹性模量(大的或小的形变)、高的介电常数等等。在一个实施例中，选择具有至多大约100MPa的弹性模量的聚合物。在另一实施例中，选定的聚合物具有最大致动压力在大约0.05MPa至大约10MPa之间，并且优选在大约0.3MPa至大约3MPa之间。在另一实施例中，所选择的聚合物具有在大约2至大约20之间的介电常数，并且优选在大约2.5至大约12之间。本发明并不旨在限制这些范围。理想地，如果材料具有高的介电常数和高的介电强度，那么希望材料具有比上述范围更高的介电常数。在很多例子中，电激活聚合物可作为薄膜来构造和实现。这些薄膜合适的厚度可以是50微米以下。
因为电活性聚合物可在高应变下会发生偏转，所以，连接在聚合物上的电极也将发生偏转，而不会损害机械性能或电性能。通常，适合使用的电极可具有任何形状和材料，只要其能够为电活性聚合物提供合适的电压，或者从电活性聚合物中接受合适的电压即可。电压可以是恒定的或随时间变化的。在一个实施例中，电极粘附在聚合物的表面上。粘附在聚合物上的电极优选是柔顺性的，并且符合聚合物的变化形状。因此，本发明可包括柔顺性电极，其符合其所连接的电活性聚合物的形状。电极可以只应用于电活性聚合物的一部分上，并且根据其几何形状限定了活性区域。适合于供本发明公开使用的各种类型的电极包括包含金属迹线和电荷分布层的结构化电极、包含偏离平面尺寸的纹理电极、传导油脂(例如碳油脂或银油脂)、胶质的悬浮体、纵横比较高的传导材料(例如碳纤维和碳纳米管)、以及离子传导材料的混合物。
可以改变用于本发明公开的电极的材料。用于电极的合适材料可包括石墨、碳黑、胶质的悬浮体、包含银和金的薄金属，填银且填碳的凝胶和聚合物，以及离子传导或电子传导的聚合物。应当理解，某些电极材料可与特定的聚合物很好地协同作用，并且可能不会与其它聚合物很好地协同作用。作为范例，碳纤维可与丙烯酸弹性体聚合物很好地协同作用，而不会与硅聚合物很好地协同作用。
关于压电材料(PM)，应当理解，PM可以设置在柔性金属或陶瓷片的带材。这种带材可为单压电晶片或双压电晶片。优选地，这些带材为双压电晶片，因为通常双压电晶片会比单压电晶片呈现更多的位移。
一类单压电晶片是一种由从外部粘接在柔性金属箔或金属带上的单压电体元件组成的结构，当利用变化的电压激活时，金属箔或金属带受到压电体元件的激励，并导致轴向弯曲或偏转，与压电元件的运动相对。对于单压电晶片的激励运动可为收缩或膨胀。单压电晶片可呈现高达大约10％的应变，但相对于单压电晶片结构的总尺寸通常只保持较低的载荷。在本发明中，压电元件可呈现包含压电陶瓷层(例如锆钛酸铅)的预应力单压电晶片，其在两个主要面进行电镀。金属预应力层通过粘结剂层粘附在陶瓷层至少一侧的电镀表面上。加工期间，陶瓷、粘结剂和第一预应力层同时地加热到粘结剂的融点之上的温度，并随后允许冷却，以便再凝固并固化粘结剂层。在冷却过程中，由于金属预应力层和粘结剂层具有比陶瓷层更高的热收缩系数，因此陶瓷层会变成带有应变的。另外，由于层压材料比陶瓷层更大的热收缩，所以陶瓷层变形成具有通常凹面的弧形形状。
同单压电晶片的压电装置相比，双压电晶片装置包括夹在两个压电元件之间的中等柔性的金属箔。双压电晶片呈现比单压电晶片更大的位移，因为在所施加的电压下，一个陶瓷元件将收缩，而另一个将膨胀。双压电晶片可呈现高达大约20％的应变，但与单压电晶片相似，相对于单压电晶片结构的总尺寸通常不能承受大的载荷。
合适的压电材料包括无机化合物、有机化合物和金属。关于有机材料，所有在分子的主链上或侧链上或这两个链段上带有非中心对称结构和大偶极矩基团的聚合物材料，都可用作压电膜的候选材料。合适的聚合物的范例包括，例如，但不局限于聚(4-苯乙烯磺酸钠)(“PSS”)，聚S-119(聚乙烯胺主链含氮生色基团)和其衍生物；聚碳氟化合物，包括聚偏二氟乙烯(“PVDF”)，其与偏二氟乙烯的共聚物(“VDF”)，三氟一氯乙烯(TrFE)和其衍生物；聚氯代烃，包括聚氯乙烯(“PVC”)，聚偏二氯乙烯(“PVC2”)和其衍生物；聚丙烯腈(“PAN”)和其衍生物；聚羧酸(包括聚甲基丙烯酸“PMA”)和其衍生物；聚脲和其衍生物；聚氨基甲酸酯(“PUE”)和其衍生物；生物聚合物分子例如聚左旋乳酸和其衍生物，和膜蛋白，以及磷酸酯生物分子；聚苯胺和其衍生物，以及所有四胺的衍生物；聚酰亚胺，包括聚酰亚胺分子和聚醚酰亚胺(“PEI”)和其衍生物；所有的膜聚合物；N-聚乙烯吡咯烷酮(“PVP”)均聚物和其衍生物，以及随机PVP-聚乙酸乙烯(“PVAc”)共聚物；以及所有在主链或侧链或者主链和侧链两者上带有偶极矩基团的芳香簇聚合物和其混合物。
压电材料还可包括Pt、Pd、Ni、Ti、Cr、Fe、Ag、Au、Cu和金属合金及其混合物。这些压电材料还可包括例如金属氧化物，如SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、SrTiO3、PbTiO3、BaTiO3、FeO3、Fe3O4，ZnO及其混合物；VIA和IIB族化合物，例如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe2、ZnSe、GaP、InP、ZnS及其混合物。
最后，如上所述，本发明中合适的活性材料还包括磁流变(MR)或电流变(ER)成分，例如MR或ER弹性体。这些材料在施加磁场或电压降时，流变特性可快速变化。MR弹性体是微米大小的磁极化粒子在热固性弹性聚合物或橡胶中的悬浮体。通过改变所施加的磁场的强度而改变剪切和压缩/张力模量，就可获得弹性体结构的刚度。典型地，MR弹性体在少至几毫秒的时间内暴露于磁场时就产生结构。通过使MR弹性体非连续地暴露于磁场中，可使过程可逆，并且使弹性体返回其较低的模量状态。
示例性系统、方法及其应用
根据本发明的教导，下面讨论图1-6中示出的利用活性材料(且更优选为SMP和SMA场激活属性)获取、存储和转换能量的范例性实施例。在每个实施例中，激活信号源16联接到元件12，且构造成可选择地(例如，人工地、自然地或响应于感应技术)产生激活信号。
系统10包括自然或环境激活信号源16，例如风力载荷、太阳能辐射以及环境温度(图4)、振动、随机或周期性(例如在轮胎中)的应力或应变，暴露于例如由地震位移或车身转动引起的力，暴露于水(膨胀、模量变化)，以及静态电荷。
在本发明中使用的存储机构包括SMA、SAP插销/锁定机构的假塑性/超弹性应变，，EAP的应变，STF流体剪切变小，MR聚合物/铁磁体SMA的使用以及压电/单压电陶瓷和双压电陶瓷的组合物应变。
在图1所示的第一实施例中，假塑性应变SMA弹簧元件12呈现为其马氏体相，且串联至偏压弹簧18，该弹簧具有SMA弹簧12的马氏体和奥氏体弹性模量之间的弹性模量。可以明了，假定能量存储和偏压弹簧12，18之间的弹性模量的所需的差值涉及到对每根弹簧选择适当截面面积。例如，在SMA材料形成能量存储弹簧12以及SMP材料形成偏压弹簧18的情况下，能量存储到-偏压弹簧的比率优选的不小于1∶10，更优选的为1∶20，最优选的为1∶50。当元件12从低于其As温度加热到高于其Af温度时，就使得形状记忆激活并且同时增加了弹簧的模量或弹簧的硬度。SMA弹簧元件12的这些综合条件导致了偏压弹簧18的伸展(FIG1a)。
如上所述，优选地，存储和偏压弹簧12，18然后分别在压缩和伸展条件下通过锁定机构14锁定。例如，可利用插销(图1-1b)，棘爪(图2)或棘轮机构(图3)。可以明了，在需要时，锁定机构14包括用来保障和传递由元件12产生的偏压力的固定基座20。
在优选的实施例中，锁定机构14为棘爪，其包含起初在低温高模量下的SMP材料。例如，如图2所示，棘爪14可包括由SMP构成的偏压扭转弹簧14a且构造成阻止在第一方向上转动。扭转弹簧14a在第一方向上呈现出第一和第二旋转阻力，其中，第一，但非第二阻力可被合金的形状调节作用力克服。在需要时，棘爪14还可包括遮挡元件，例如，护套14b，设置成仅在释放的方向时(如图2隐藏线所示)防止扭转弹簧14a暴露于太阳，使得保持周期等于SMP扭转弹簧14a的转变周期。
如图3所示，基于棘轮的锁定机构14的齿轮22可包括用SMP材料制成的轮齿24。轮齿24会经历模量的变化，从而呈现出第一和第二刚度，其中，第一但非第二刚度能够被SMA存储弹簧12的形状调节作用力克服。更优选地，锁定机构14还包括SMA金属丝26，金属丝26被驱动联接到齿轮22(图3)、插销或棘爪，并被构造成当激活金属丝26时能够引起或促发从储存元件12脱离并由此释放储存元件12的能量。
可以明了，激活能量也可由双稳态机构从第一稳态到第二稳态的物理运动产生的动作来锁定(例如，“铸板凹陷”现象)。如果偏压弹簧(或金属丝)18也由SMA在其马氏体相形成，可以理解，能量可通过其假塑性变形(即，拉伸)存储在偏压元件18中。图2中，例如，结构20限定了遮挡元件20b，其构造成当被压缩时，阻止偏压弹簧暴露于太阳。
通过锁定机构14(手动，电动-机械，活性材料形变等)的释放或偏压SMP(或SMA)弹簧18的热激活，存储能量的释放可以是各种各样的。根据图1-3所示的锁定机构14的其他方面，由伸展偏压弹簧/金属丝18元件存储的能量可通过活性材料的热、光或湿度激活相变(软化)释放，或另外的方式释放。
可选择地，偏压弹簧18(或等效的金属丝)可由SMP材料制成。在这种结构中，可以发现，同时加热SMP偏压弹簧18和SMA弹簧12，或先加热SMP弹簧18，经过它们各自的转变温度后，软化SMP材料，从而将其转变为硬度非常低的偏压弹簧。这就使得SMA弹簧12伸展，并如此释放存储在SMA弹簧12中的最初假塑性变形状态下的势能。加热时，SMP偏压弹簧18呈现出甚至比SMA弹簧12低模量还低的模量，这就使得存储弹簧12返回到伸展状态，而与其状态无关。
在这个实施例中，SMP偏压弹簧18用作反转致动器，即，当冷却时阻止运动，这样，在加热时运动/致动行程被释放，其由此被软化。因此，可预期的是，在其高模量状态下，使用各种几何形状的SMP作为阻挡机构物理地阻挡运动。SMP向其低模量状态的切换(通过各种的热、光或湿度激活)消除了其阻挡能力并由此允许存储的能量转换并释放。
在图4所示的实施例中，SMP元件12在无应力的较低模量状态下开始。布置/附接SMA元件12，以便由自然存在的(例如，空气或水流)或另外的假定的激励作用力假塑性地应变。这个假塑性存储激活能量可通过SMP中形状记忆效应热激活或由被动的环境温度变化、自接的太阳能负荷(图4)，聚焦的太阳能辐射能量等，或通过主动的焦耳加热来释放。在图4中，例如，来自水流或波浪的能量被断路器12收获，该断路器包括活性材料。当断路器12被动加热时，其会变成较小的硬度，由此，允许水来流动，在涨潮期间(夜间运转)会变得较硬并且直立，从而保持一个较高的水位。
在另一个未应变的SMA马氏体状态和太阳能负载环境中，SMA元件1 2可用来实现选择性地展开遮光板或遮光屏，否则需要手动地来实现。例如，如图4a所示，与偏压弹簧串联的热激活SMA元件12可用来实现遮阳板的自动开启和自动闭合，例如遮阳伞，住宅天棚等。在这种结构中，存储可通过光激活插销来实现，该销在伞被打开时接合弹簧18。
在另一个实施例中，SMA元件12在奥氏体高模量相下开始，并布置/附接SMA元件12，以便由自然存在的(例如，空气或水流)或另外的假定的激励作用力假塑性地应变(图4)。在该相下，使元件12应变导致奥氏体向马氏体的应力引起的相变。在这个结构中，超弹性引起的变形可由锁定机构14(例如，基于插销、棘爪、棘齿的机构)锁定。还可通过引起双稳态机构(例如弯曲截面弹簧钢卷尺的两个稳定状态)从一个稳定状态向另一个稳定状态物理移动的运动来锁定。另外，起初在其低温高模量状态下，由SMP制造的棘爪或其他机构14可用来锁定“弹性”能量，其中，存储的能量通过释放锁定机构14来释放是各种各样的(手动地，电动-机械地，弯曲的截面弹簧钢卷尺的“扭曲”，或通过热、光、或湿度激活而激活，从而引起SMP棘爪机构内的相变(软化))。
两个示范性的用于热量存储和释放周期的热能源/散热器，当基于SMA/SMP的机构用作能量源时，不必机械地变形元件或产生(电子或机械)输出机构的能量，包括在第一配置时被用作SMA和SMP的循环中高温/能量释放部分的介质/能量源的阳光或地热，和SMP循环的能量存储部分；以及(海)水(或环境空气温度)作为SMA和SMP两者的循环中的能量存储部分的低温源(在固定的应用中，很显然重力/引力也可用于使具有冷的SMA和热的SMP的元件变形)。
在第二应用中，车辆尾气热量(或热的冷却剂)可用作一种介质(SMA和SMP循环热释放部分的高温，和SMP循环的能量储存部分)，且环境大气(或冷的冷却剂或HVAC制冷剂流体)可用作另一种介质(在SMA和SMP两者的循环中的能量存储部分)。
图5所示的另一个车辆应用中，通过SMA致动器28的被动加热，可以完成遮阳板的展开。致动器28可用来收集和存储太阳能以实现盖罩或遮光板30的展开。这个可通过例如棘轮机构一步或多步地实现。SMA材料的直接太阳能加热可通过直接暴露于阳光(图5)和/或透镜或棱镜的聚焦，SMA浸没在其中的流体的太阳能加热(未示出)，或通过在直接太阳能负载下从外部板面(也未示出)传导来传热。遮光板10的收起也可以通过基于SMA的释放插销的被动太阳能加热(优选在进入车辆32时)或者通过驾驶员执行一定动作(例如，按压按钮，打开门等)来主动地实现，所述动作产生激活信号或者在替代实施例中释放锁定销，所述锁定销在停止暴露于太阳之后保持遮光板闭合。
在该结构中，通过每一步被动地使遮挡元件34移动从而实现多级能量存储，以便不断地阻挡致动器28的太阳能加载，从而允许其冷却。遮挡元件34的移动还暴露了连接至遮挡元件34的从属致动器36的直接太阳能加载。于是，加热该从属SMA致动器36会使得遮挡元件34移出阻挡位置，从而允许连接至遮光板30的主致动器再次加热并再次致动，所以，循环过程可以持续直到达到能量存储装置的整个冲程，或者直接太阳能加载结束。
在另一个实施例中，如果元件12用作分离致动器，那么激活信号可以由强迫变形(外部致动器)来提供，如果直接用在旋转物体(例如，发动机部件)上，那么激活信号可以由离心力来提供。例如，如图6所示，这里，系统10用作飞轮38的“转矩增强装置”，离心力可用来激活元件12，从而通过有意地重新布置飞轮质量来改变飞轮惯性。
最后，可以理解的是，系统10可与呈现出适当效率和周期的斯特林马达或热空气马达(未示出)相联接，例如，作为低档转矩的起动装置，或再次作为转矩增强装置。
因此，如图所示的实施例中，自然和/或环境能量可被动存储和被动释放，或被动存储且主动释放，或者主动地储存和被动地释放。可以明了的是，主动地或被动存储的能量要多于所提供的释放的能量。取决于应用及实施例，能够理解被动和主动的激活方式。同样可以明了的是，根据SMA的能量转换效率，SMA致动器是有效的热机，SMA可直接将热能转换为功。因此，致动器的效率不会高于卡诺循环，在SMA典型的温度运行范围内，其效率不会高于大约10％。
这里所公开的所有范围都是包含性的，并可以相互组合(如，范围“高达约25wt％或更具体地约5wt％至约20wt％”包括端点值和范围约5wt％至约25wt％之间的所有中间值)。“组合物”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等等。此外，短语“第一”、“第二”等等在此并不代表任何顺序，数量或重要性，只是用来相互区分，本文的数字“一个”也并不代表对数量的限制，而是代表所述对象具有至少一个。修饰词“约”在与数字连用时包括所述数值以及依环境而定的含义(如，包括与特定数值测量相关的误差程度)。本文使用的后缀“s”旨在包括其修饰的对象可以是单数或复数，因此包括一个或多个该物品(如着色剂包括一个或多个)。说明书中的“一个实施例”、“另一实施例”“一实施例”等，意味实施例中此特定的内容(如，特征，结构和/或特性)可以应用于此处至少一个的实施例，也可以或者可以不存在于其它实施例中。另外，应当理解的是，所述内容可以以任何合适的方式在不同的实施例中进行组合。
虽然已经参照范例性的实施例描述了本发明公开，但是本领域中的技术人员应当理解，在不脱离本发明公开的范围内可进行各种变化，并可用等效物替代其元件。另外，在不脱离本发明公开的本质范围下，还可进行许多改变，而使特殊的情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明公开并不局限于作为被认为是实现本发明的最佳模式的特定实施例，相反，本发明公开将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种利用活由材料能量储存元件从能量源获取、储存和转换能量的方法，该方法包括步骤：
将所述元件暴露于由所述能量源产生的激活信号，所述激活信号具有能量；
由于暴露于所述信号，通过改变所述元件来获取所述能量，从而实现改变后的状态；
通过将所述元件机械地锁定在所述改变后的状态下来存储能量；和
通过不将所述元件暴露于所述信号以及解锁所述元件来将存储的能量转换为功。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述存储元件包括处于马氏体相的假塑生应变形状记忆合金，所述元件串联连接至偏压元件，并且在所述改变后的状态下，使得所述偏压元件存储能量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述存储元件为具有不同激活和去激活模量的弹簧。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述偏压元件还呈现为形状记忆聚合物制成的弹簧，所述弹簧的去激活模量大于所述存储弹簧的所述激活或去激活模量，从而成为反转致动器，所述弹簧的激活模量低于所述存储弹簧的所述去激活模量，由此在去激活时可选择地转换能量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中从包括插销、棘爪和棘轮机构的组中选择的锁定机构与所述存储元件相接合，从而将所述元件保持在改变后的状态下。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述锁定机构为包括处于其低温高模量相下的SMP的棘爪，并且通过加热所述棘爪释放能量，使得SMP转变至其低模量相。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述锁定机构还包括连接到所述插销、棘爪或棘轮机构的SMA金属丝，并且加热所述金属丝还能释放所述能量。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述锁定机构包括单向棘轮机构，所述单向棘轮机构具有含有SMP的齿轮，并且由于加热所述齿轮以及使所述SMP转变而转换所述能量。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信号由车辆废气热量或热冷却剂产生，并且已应变元件暴露在环境空气、冷的冷却剂或HVAC制冷剂流体中。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信号由阳光或地热产生，并且所述存储元件暴露在水或环境空气状况中以转换所述能量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述存储元件驱动地连接于太阳伞，且在激励时可操作实现所述伞的自动开启或自动闭合，并且所述伞包括构造成存储所述能量的锁定机构。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述信号由离心力产生，所述存储元件附着于车辆的飞轮，并且可操作重新设置飞轮重量，以便用作转矩增强装置。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信号由力或重量产生。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述存储元件连接至斯特林马达。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述元件是由从包括形状记忆合金、形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷、电活性聚合物，压电合成物、磁流变和电流变合成物的组中选择的材料制成。
16.一种在初始的未应变的马氏体状态下利用形状记忆合金元件获取自然存在的能量的方法，该方法包括步骤：
将所述元件暴露于能量自然存在的环境中；
通过用所述元件吸收部分能量来获取并存储所述部分能量，从而假塑生地应变，并且当应变时用锁定机构锁定所述元件；
通过释放所述锁定机构且将所述元件暴露于激活信号，将所述部分能量转变为功。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述环境从包括气流、水流、地震的地壳移动以及物体的旋转的组中选择。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述信号可通过直接太阳能加载、聚焦的太阳能辐射能量或焦耳加热来产生。
19.一种在初始的高模量奥氏体相下利用形状记忆合金元件获取自然存在的能量的方法，该方法包括步骤：
将所述元件暴露于能量自然存在的环境中；
通过使所述元件应变来获取并储存部分能量，由此带来向马氏体相的应力引起的相变，用所述元件吸收所述部分能量使得所述元件假塑生应变，并且当应变时用锁定机构锁定所述元件；
通过释放所述锁定机构将所述部分能量转换为功。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述元件构造成从双稳态机构的两种稳定状态中的一种变化。
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