CN102003362B - 多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法 - Google Patents
多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法，它涉及一种驱动器的制备方法。本发明解决了现有展开收拢装置结构复杂且重复动作稳定性差的问题。本方法如下：一、将TiNi记忆合金板材放入模具中，然后在真空度为10-4torr、300℃～550℃的条件下加工10min～1h，得到蜷曲半径为15mm的元件；二、按照将元件先放入液氮中，将元件升温至100℃，然后再将元件放入液氮中，再在室温的条件下使元件的温度与室温相同的顺序循环10～50次，即得多次展开收拢记忆合金驱动器。本发明制备的多次展开收拢记忆合金驱动机构，其具备结构简单、体积小、重量轻、功耗小、重复性好、稳定性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动器的制备方法。
背景技术
现有展开收拢装置结构复杂，体积大，功耗高，且重复动作稳定性差，使得整个系统的安全可靠性降低。因此研究体积小、重量轻、功耗小、重复性好、稳定性高的展开收拢装置是目前的重点和难点。
利用TiNi记忆合金形状恢复时产生大的恢复力和母相强度高于马氏体相强度的本质特性实现展开、收拢双向重复动作，采用两个结构相同的记忆合金驱动器，一个负责展开，一个负责收拢。其工作原理是当对负责展开的记忆合金驱动器加热时，当达到一定温度时由马氏体相转变为母相，此时记忆合金的强度大，就能克服处于马氏体状态的收拢记忆合金驱动器和辐射器本身的阻力，实现展开。当预实现收拢时，对负责收拢的记忆合金驱动器加热，当达到一定温度时由马氏体相转变为母相，此时记忆合金的强度大，就能克服处于马氏体状态的展开记忆合金驱动器和驱动装置本身的阻力，实现收拢。
发明内容
本发明解决了现有展开收拢装置结构复杂且重复动作稳定性差的问题，提供了一种多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法。
本发明多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法如下：一、将TiNi记忆合金板材放入模具中，然后在真空度为1.33×10-2Pa、300℃～550℃的条件下加工10min～1h，得到蜷曲半径为15mm的元件；二、按照将元件先放入液氮中至元件与液氮温度相同，将元件升温至100℃，然后再将元件放入液氮中至元件与液氮温度相同，再在室温的条件下使元件的温度与室温相同的顺序循环10～50次，即得多次展开收拢记忆合金驱动器。
本发明利用形状记忆合金板材，通过热处理工艺调节其相变温度，制备了多次展开收拢记忆合金驱动机构，其具备结构简单、体积小、重量轻、功耗小、重复性好、稳定性高的优点。
附图说明
图1是具体实施方式五中TiNi合金驱动器在不同蜷曲半径时产生的扭矩关系曲线；图2是具体实施方式五中不同蜷曲半径对TiNi合金驱动器形状恢复开始温度的影响规律曲线；图3是具体实施方式五中不同蜷曲半径对TiNi合金驱动器形状恢复终了温度的影响规律曲线；图4是具体实施方式五中循环次数对TiNi合金板材输出扭矩的影响曲线；图5是具体实施方式五中循环次数对TiNi合金板形状恢复开始温度的影响曲线；图6是具体实施方式五中循环次数对TiNi合金板形状恢复终了温度的影响曲线；图7是具体实施方式六中柔性加热膜实物照片；图8是具体实施方式六中不同工作电压下TiNi记忆合金驱动器打开角度的变化规律曲线；图9是具体实施方式六中不同工作电压下TiNi记忆合金驱动器输出扭矩的变化规律曲线；图10是具体实施方式六中通断电循环次数对TiNi记忆合金驱动器展开和收拢反应时间的影响曲线，图中-●-表示通断电循环次数对TiNi记忆合金驱动器展开反应时间的影响曲线，-■-表示通断电循环次数对TiNi记忆合金驱动器收拢反应时间的影响曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法如下：一、将TiNi记忆合金板材放入模具中，然后在真空度为1.33×10-2Pa、300℃～550℃的条件下加工10min～1h，得到蜷曲半径为15mm的元件；二、按照将元件先放入液氮中至元件与液氮温度相同，将元件升温至100℃，然后再将元件放入液氮中至元件与液氮温度相同，再在室温的条件下使元件的温度与室温相同的顺序循环10～50次，即得多次展开收拢记忆合金驱动器。
根据驱动器动作要求，确定TiNi合金成分。首先，TiNi合金应具有大的恢复力和恢复应变，要求Ni含量不能太低；其次，要求具有较高的相变温度，以避免相变温度低于环境温度，未加热便导致驱动器过早动作，因此选择成分为Ti50.2Ni49.8(at％)的TiNi合金，其变形后的As温度高于60℃。
NiTi合金的马氏体相变温度对Ni含量的变化十分敏感，高Ni的NiTi合金每增加0.1％的Ni含量可使相变温度向低温推移12℃。因此要严格控制TiNi合金的成分，同时控制杂质含量以保证TiNi合金具有高的恢复特性和疲劳寿命。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中在350的条件下加工30min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中在400的条件下加工50min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中循环的次数为20次。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式中多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法如下：一、将TiNi记忆合金板材放入模具中，然后在真空度为1.33×10-2Pa、380℃的条件下加工40min，得到蜷曲半径为11mm、13mm、15mm、17mm、19mm的元件；二、按照将元件先放入液氮中至元件与液氮温度相同，将元件升温至100℃，然后再将元件放入液氮中至元件与液氮温度相同，再在室温的条件下使元件的温度与室温相同的顺序循环10～50次，即得TiNi合金驱动器。
由图1看出随着蜷曲半径的增加，输出的扭矩先升高后降低，在蜷曲半径为15mm时，输出扭矩最大值为6.2N·m。
从图2中可以看出，随着蜷曲半径的增大，TiNi合金驱动器形状恢复开始温度呈线性降低。
从图3中可以看出，随着蜷曲半径的增大，TiNi合金驱动器形状恢复终了温度总体呈现降低趋势，只是曲率半径从11mm增加到13mm时，降低的幅度没有后面曲率半径增加形状恢复终了温度降低的明显。
从图4中可以看出，随着循环次数的增加，TiNi合金板材输出扭矩先降低后趋于稳定。当循环次数为10时，TiNi合金板材输出扭矩稳定为6.0N·m。TiNi合金驱动器经历冷热反复高低温循环，在TiNi基体中即引入位错，产生了不可逆应变，且位错密度随循环次数的增加而增多，因此恢复力降低，进而导致输出扭矩降低。继续增加循环次数，显微组织不再变化，相应地恢复力亦趋于稳定，进而输出扭矩也趋于稳定。
图5所示为不同循环次数对TiNi合金板材形状恢复开始温度的影响规律曲线，从图中可以看出，随着循环次数的增加，TiNi合金板材形状恢复开始温度先升高后趋于稳定。同样发现当循环10次时，记忆合金驱动器形状恢复开始温度稳定在64℃。TiNi合金驱动器经历冷热反复高低温循环，在TiNi基体中即引入位错，产生了不可逆应变，且位错密度随循环次数的增加而增多，因此产生逆相变时阻力增大，因此形状恢复开始温度升高。继续增加循环次数，显微组织不再变化，相应地阻力亦趋于稳定，进而形状恢复开始温度趋于稳定。
图6所示为不同循环次数对TiNi合金板材形状恢复终了温度的影响规律曲线，从图中可以看出，随着循环次数的增加，TiNi合金板材形状恢复终了温度变化规律和形状恢复开始温度一样，也是先升高后趋于稳定。同理也采用类似机理解释记忆合金驱动器形状恢复终了温度在不同循环次数下的变化规律。
根据上述不同循环次数对TiNi记忆合金驱动器输出扭矩、形状恢复开始温度和形状恢复终了温度的影响规律发现，高低温循环次数为10次时，记忆合金驱动器性能优异且稳定。
具体实施方式六：本实施方式中多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法如下：一、将TiNi记忆合金板材放入模具中，然后在真空度为1.33×10-2Pa、390℃的条件下加工40min，得到蜷曲半径为15mm的元件；二、按照将元件先放入液氮中至元件与液氮温度相同，将元件升温至100℃，然后再将元件放入液氮中至元件与液氮温度相同，再在室温的条件下使元件的温度与室温相同的顺序循环10次，即得TiNi记忆合金驱动器。
本实施方式中记忆合金驱动器为板材，加热方式为外置式加热。在设计外置加热器时，要考虑如下因素：首先针对辐射器的工作环境，电压不能太高；其次，由于记忆合金驱动器是蜷曲式，加热和冷却时，记忆合金驱动器需往复动作，同时还要保证驱动器与外置式加热器始终保持接触，因此要求外置式加热装置必须柔软且绝缘性好。针对上述条件，本实施方式设计并定制了柔性加热膜，如图7所示。
据可展开收拢辐射器机构，合理地将佩戴外置式加热器及其导线的，且是稳定化处理后的记忆合金驱动器安装到辐射面。考察不同电压及不同通断电循环次数对单个记忆合金驱动器展开或收拢输出扭矩和打开辐射器角度的影响规律，优化出工作电压，并查明不同通断电循环次数下的稳定性。
图8所示为不同工作电压下TiNi记忆合金驱动器打开角度的变化规律，从图中可以看出，当电压为13V时，不能打开，说明电压太低，不能够产生足够的热量使记忆合金驱动器发生逆相变。随着电压增大到15V时，记忆合金驱动器打开150°，这说明该电压产生的热量能够诱发记忆合金马氏体逆相变，但所产生的能量不能使逆相变进行完全，随着电压继续增大到16V时，记忆合金驱动器打开的角度为180°，完全打开。这说明工作电压大于16V时，产生的热量能够诱发TiNi记忆合金驱动器完全马氏体逆相变。
图9所示为不同工作电压下记忆合金驱动器输出扭矩的变化规律，从图中可以看出，电压从16V增大到20V时，输出扭矩值从5.7N·m增大到6.0N·m，随着电压继续增大，输出扭矩未明显变化。但这个输出扭矩比采用稳定化处理工艺中的扭矩略低，原因是即便加热膜柔软，粘贴良好，都不可避免在往复动作时产生一定的阻力，对输出扭矩产生一定的影响。
图10所示为工作电压20V时，不同通断电循环次数下记忆合金驱动器展开和收拢辐射面的反应时间变化规律。从图中可以看出，随着循环次数的增加，记忆合金驱动器收拢和展开辐射器的反映时间未发生明显变化，分别维持在81s和92s左右。这说明本实施方式的记忆合金驱动器具有高的稳定性。
本实施方式采用TiNi合金板材表面直接粘贴一块柔性加热膜打开辐射器时，在打开瞬间冲击较大。实现通电加热时记忆合金驱动器较为平稳的展开和收拢辐射器，展开时间178s秒，收拢时间165秒。
Claims (4)
1.多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法，其特征在于多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法如下：一、将TiNi记忆合金板材放入模具中，然后在真空度为1.33×10-2Pa、300℃～550℃的条件下加工10min～1h，得到蜷曲半径为15mm的元件；二、按照将元件先放入液氮中至元件与液氮温度相同，将元件升温至100℃，然后再将元件放入液氮中至元件与液氮温度相同，再在室温的条件下使元件的温度与室温相同的顺序循环10～50次，即得多次展开收拢记忆合金驱动器。
2.根据权利要求1所述多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法，其特征在于步骤一中在350℃的条件下加工30min。
3.根据权利要求1所述多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法，其特征在于步骤一中在400℃的条件下加工50min。
4.根据权利要求1所述多次展开收拢记忆合金驱动器的制备方法，其特征在于步骤二中循环的次数为20次。
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