CN103306926A - 相变分级的sma致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及相变分级的SMA致动器，具体地，公开一种形状记忆合金元件，该形状记忆合金元件被构造成响应于热刺激沿着形状记忆合金元件的尺度经历分级相变。该分级相变产生形状记忆元件的分级移位响应。

Description

相变分级的SMA致动器
技术领域
本发明的示例性实施例涉及金属形状记忆合金（“SMA”）致动器，并且更具体地涉及具有独特的热响应特性的SMA致动器。
背景技术
形状记忆合金在本领域中是熟知的。形状记忆合金是具有至少两种不同的温度依赖的相的合金成分。这些相中最为常用的是所谓的马氏体相和奥氏体相。在下列讨论中，马氏体相通常表示更可变形、更低温度相，而奥氏体相通常表示更高刚性、更高温度相。当形状记忆合金是在马氏体相中并且被加热时，它开始变成奥氏体相。在这种现象开始时的温度常常被称为奥氏体开始温度（As)。在这种现象完成时的温度被称为奥氏体结束温度(Af)。当形状记忆合金是在奥氏体相中并且被冷却时，它开始变成马氏体相，并且在这种现象开始时的温度被称为马氏体开始温度(Ms)。在奥氏体完成转变为马氏体时的温度被称为马氏体结束温度(Mf)。应注意的是，上述过渡温度是由SMA样品所经历的应力的函数。具体地，这些温度随着增加的应力而增大。鉴于前述性质，形状记忆合金的变形通常是在奥氏体过渡温度或低于奥氏体过渡温度（在As或低于As)。高于奥氏体过渡温度的后续加热使得变形的形状记忆合金样品恢复到其永久形状。因此，随形状记忆合金使用的适当的激活信号是具有足以促使在马氏体相与奥氏体相之间转变的幅度的热激活信号。
归因于它们的温度依赖的形状记忆性质，形状记忆合金被使用或已被建议使用作致动器或在各种机械和机电装置或其它应用中需要受控移动的其它元件，举几个例子，所述其它应用诸如空气流控制气窗、可逆地可展开的握柄、便携式胰岛素泵、以及计算机介质喷出机构。一个通常使用的结构是具有两个‘记忆’长度的SMA线（wire）的结构，其中通过使线在更长的和更短的记忆长度之间变形，使线附接到在不同的位置之间移动的元件或装置部件。其它构造也可被利用，诸如可在直的与弯曲形状之间变形的SMA致动器。用以使SMA致动器在不同的状态之间变形的热刺激可为直接的外部热刺激，诸如从如同红外线、对流、或传导加热元件的热源施加的热量。然而，在SMA线致动器的情况下，常常通过简单地使电流通过线以促使它加热、并且终止电流使得通过将热转移到周围的更冷环境使线冷却来施加热刺激。
形状记忆合金当被加热时记忆其高温形式的温度可通过合金的组分中的稍微改变以及通过热机械加工来调节。在镍钛形状记忆合金中，例如，它可从高于约100℃至低于约-100℃变化。形状恢复过程能够在仅几度的范围内发生或呈现更加渐近的恢复。变形的开始或结束可被控制在1度或2度内，这取决于期望的应用以及合金成分。形状记忆合金的机械特性在跨越其变形的温度范围上变化很大，通常提供形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼能力。例如，在马氏体相中观察到比在奥氏体相中更低的弹性模量。在马氏体相中的形状记忆合金通过以所应用的应力对晶体结构布置进行重新调整可经历大的变形。在应力移除之后材料将保持这种形状。
形状记忆合金在马氏体状态与奥氏体状态之间作为温度的函数的转变在图1的曲线中描述，其中纵轴线ξ表示在马氏体状态中的组分的分数，并且水平轴线T表示温度。图1中所示的上面的曲线连同伴随的指向下并且到右边的箭头描绘因温度的升高所引起的从马氏体状态到奥氏体状态的转变，且As和Af温度表示在水平轴线上。图1中下面的曲线连同伴随的指向上并且到左边的箭头描绘因温度的下降所引起的从奥氏体状态到马氏体状态的转变，且Ms和Mf温度表示在水平轴线上。
对于许多形状记忆合金，响应于热刺激，在马氏体状态与奥氏体状态之间的变化可能会相当快地发生，并且反之亦然。这可归因于各种因素，诸如具有在As与Af温度和/或在Ms与Mf温度之间的狭窄的温度范围的成分。其它因素包括形状记忆合金的电特性使得当电流被施加时SMA线的温度很快地增加经过As至Af温度范围。这可导致在SMA致动器的所记忆的形状或长度之间的相对快速改变，这在许多情况下是不期望的，其中较慢的致动出于审美和/或功能原因是期望的。
因此，期望提供如下形状记忆合金元件：其中响应于热刺激，响应可被定制以满足目标致动速率。
发明内容
在本发明的示例性实施例中，形状记忆合金元件被构造成：响应于热刺激，沿着形状记忆合金元件的尺度（dimension）经历分级相变。该分级热变化产生形状记忆元件的分级移位响应。
在本发明的示例性实施例中，在SMA元件中的分级相变由第一金属元素与第二金属元素的量的比沿着元件的尺度（维度）的分级而产生。在另一示例性实施例中，元件包括以晶格结构的多种金属元素，并且包括以晶格结构的第一金属元素与以晶格结构的第二金属元素的量的比沿着所述尺度的分级。在另一示例性实施例中，SMA元件的分级相变由在元件的形状记忆处理中的沿着元件的尺度的分级而产生。在另一示例性实施例中，在形状记忆处理中的分级由元件的冷加工中的沿着元件的尺度的分级而产生。在又一示例性实施例中，在形状记忆处理中的分级由在对元件进行冷加工的同时沿着尺度在温度中的分级沿着元件的尺度而产生。
在另一示例性实施例中，一种用于形状记忆合金元件的形状记忆处理的方法包括：加热元件以引起在形状记忆合金中从马氏体到奥氏体的相变；使元件冷却以引起在形状记忆合金中从奥氏体到马氏体的相变；以及对马氏体形状记忆合金进行冷加工，其中在冷加工中的沿着元件的尺度的分级被应用或在温度中的分级在冷加工期间沿着尺度被应用。
本发明还提供如下方案：
1. 一种形状记忆合金元件，其被构造成响应于热刺激沿着所述形状记忆合金元件的尺度经历分级相变，从而提供所述元件沿着所述尺度的分级移位响应。
2. 根据方案1所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括多种金属元素，并且包括第一金属元素与第二金属元素的量的比沿着所述尺度的分级。
3. 根据方案1所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括以晶格结构的多种金属元素，并且沿着所述尺度包括以所述晶格结构的第一金属元素与以所述晶格结构的第二金属元素的量的比的分级。
4. 根据方案1所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括在由在形状记忆处理中沿着所述尺度的分级所引起的形状记忆效应中的分级，所述形状记忆处理包括：加热所述元件以引起在形状记忆合金中从马氏体到奥氏体的相变、使所述元件冷却以引起在形状记忆合金从奥氏体到马氏体的相变、以及对所述马氏体形状记忆合金进行冷加工。
5. 根据方案4所述的形状记忆合金元件，其特征在于，在形状记忆处理中的分级包括：在所述元件的冷加工中沿着所述尺度的分级。
6. 根据方案4所述的形状记忆合金元件，其特征在于，在形状记忆处理中的分级包括：在形状记忆处理期间对所述元件进行冷加工的同时提供沿所述尺度的在温度中的分级，所述形状记忆处理包括：加热所述元件以引起在形状记忆合金中从马氏体到奥氏体的相变、使所述元件冷却以引起在形状记忆合金从奥氏体到马氏体的相变、以及对所述马氏体形状记忆合金进行冷加工。
7. 根据方案1所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述形状记忆元件被构造成经历的分级相变包括沿着所述尺度的逐步的分级相变。
8. 根据方案2所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括在第一金属元素与第二金属元素的量的所述比中的逐步分级。
9. 根据方案1所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括以晶格结构的在第一金属元素与第二金属元素的量的所述比中的逐步分级。
10. 根据方案4所述的形状记忆合金元件，其特征在于，在冷加工中的分级包括在所述元件的冷加工中沿着所述尺度的逐步分级。
11. 根据方案5所述的形状记忆合金元件，其特征在于，在冷加工期间的温度中的分级包括在所述元件的冷加工期间的温度中的沿着所述尺度的逐步分级。
12. 根据方案1所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述形状记忆元件被构造成经历的分级相变包括沿着所述尺度的连续的分级相变。
13. 根据方案12所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述形状记忆元件被构造成经历的分级相变包括沿着所述尺度的逐步分级相变。
14. 根据方案2所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括在第一金属元素与第二金属元素的量的所述比中的连续的分级。
15. 根据方案3所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括以晶格结构的第一金属元素与第二金属元素的量的所述比中的连续的分级。
16. 根据方案6所述的形状记忆合金元件，其特征在于，在冷加工期间的温度中的分级包括在所述物件的冷加工期间的温度中的沿着所述尺度的连续的分级。
17. 一种用于形状记忆合金元件的形状记忆处理的方法，包括加热所述元件以引起在所述形状记忆合金中从马氏体到奥氏体的相变、使所述元件冷却以引起在所述形状记忆合金中从奥氏体到马氏体的相变、以及对马氏体形状记忆合金进行冷加工，其中在冷加工中沿着所述元件的尺度的分级被应用或在冷加工期间沿着所述尺度在温度中的分级被应用。
18. 根据方案17所述的方法，其特征在于，在所述马氏体形状记忆合金的冷加工中的分级被应用。
19. 根据方案17所述的方法，其特征在于，在冷加工期间沿着所述尺度应用温度中的分级。
20. 一种处理形状记忆合金元件的方法，包括：在一定的温度对元件进行热处理并且持续足够时间以更改在形状记忆元件中的晶格结构的组成，其中沿着元件的尺度的分级在温度中或在热处理期间被应用。
因此，所提供的以上特征和优势连同其它特征和优势从以下结合附图对本发明的详细描述中显见。
附图说明
其它目的、特征、优势和细节在下面的仅通过举例方式对实施例的详细描述中显见，详细描述参照附图，在附图中：
图1是典型的形状记忆合金的相变对温度的曲线图；
图2描绘具有沿着元件的尺度的连续分级的镍浓度的镍钛SMA元件；
图3A和图3B描绘SMA转变温度和镍浓度连同移位响应对时间/温度的曲线图；以及
图4描绘具有沿着元件的尺度的非连续分级的镍浓度的镍钛SMA元件。
具体实施方式
根据本发明的示例性实施例，形状记忆合金元件被构造成：响应于热刺激，沿着形状记忆合金元件的尺度经历分级（graded）相变。通过沿着SMA元件的尺度的分级相变，意味着：在某一时间点处，SMA材料的奥氏体相与马氏体相在沿着该尺度的一个位置处的比率与沿着该尺度在不同的位置处的比率是不同的。由于正是形状记忆合金从奥氏体相到马氏体相以及从马氏体相到奥氏体相的转换引起SMA元件的形状记忆移位响应，所以在相变响应中提供分级将在形状记忆移位响应中提供分级，如在下文相对于图进一步讨论的。
用于制造本文中描述的一致的形状记忆元件的适当的形状记忆合金材料包括但不旨在限于：镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍镓基合金、铜基合金（例如，铜锌合金、铜铝合金、铜金、以及铜锡合金）、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、铁钯基合金等。合金可为二元、三元、或任意更高阶。适当的形状记忆合金成分的选择取决于部件将工作的温度范围。SMA元件通常必须在不同的温度下被处理或训练以便记忆在奥氏体状态与马氏体状态之间的不同的形状。根据其预期的应用，SMA元件可呈现单向或双向形状记忆，并且本文公开的实施例可与单向或双向SMA元件一起使用。
SMA元件可以以各种构造形成，并且相应地，沿SMA元件呈现分级热变化的尺度的定向上不存在特别的限制，只要它提供SMA元件的期望的移位响应即可。在一示例性实施例中，该尺度是线性尺度。在另一示例性实施例中，SMA元件是以形状记忆合金线的形式，并且线性尺度平行于线的纵向轴线。
在一示例性实施例中，在相变中的分级通过在形状记忆合金中的金属中的一种或多种的浓度中的分级来提供。现在转向图2，示出由诸如镍钛合金的SMA形成的SMA线元件20的横截面视图。SMA线元件20具有贫镍端22和富镍端24，且线横截面的阴影的暗度表示相对的钛浓度，且较暗的区域表示高钛浓度和低镍浓度，并且较亮的区域表示低钛浓度和较高镍浓度。如在图2中可容易地看到的，阴影的暗度从在贫镍端22处的最暗以梯度方式改变，朝富镍端24变得逐渐更亮。在Ni-Ti合金中诸如镍的SMA金属的数量上的变化将取决于具体的合金和期望的效果而变化。在Ni-Ti SMA的实施例中，例如，镍的数量的范围可从约49至约51 at.%更具体地从约49至约50 at.%的范围。本领域的技术人员将能够容易地确定用于其它形状记忆合金的百分比分级范围以便使用其它已知形状记忆合金来实践本文中描述的实施例。
在图3A和图3B中图示出由图2的SMA线元件20的形状记忆性能的镍浓度的效果。图3A描绘作为%镍浓度（%Ni)的函数的SMA转变温度(T)的图示。为了本图示的目的，其描绘SMA元件的响应于温度增加的性能，SMA转变温度表示例如AS，但是该概念同样也适用于当SMA元件响应于温度中的减少时马氏体过渡温度。为便于图示，SMA线元件20的表征用于图3A的图线以便将在SMA线元件20中的镍浓度梯度与转变温度对镍浓度的图示相关联。图3B表示位置P（即，SMA线元件20的形状记忆移位响应）对温度(T)或热刺激应用的经过的时间(T)的图示。曲线32表示在图3A图示上的点26处截取的具有均匀的镍对钛的比率的SMA线元件的移位响应。曲线34表示沿其长度在镍钛比中具有可变梯度的SMA线元件20的移位响应。如在图3B中由曲线32所示，具有均匀的镍钛比的SMA线元件呈现出随时间/温度而变的非常激烈的移位响应。相比之下，曲线34示出：沿其长度在镍浓度上具有梯度的SMA线元件20呈现出随时间/温度而变的非常渐进的移位响应。
图2描绘如下示例性实施例，其中，SMA元件在形状记忆合金组合物中一种金属与另一金属的比率中显示连续的分级。在另一示例性实施例中，SMA元件可包括在组合物中的阶梯式分级。图4描绘具有这类阶梯式分级的SMA元件的示例性实施例。在图4中，SMA元件40具有：钛贫乏（例如，从约49至约50 at.%）的截面42；截面43，其具有较高浓度的钛（例如，从约50至约51 at.%）；以及截面44，其具有甚至更高浓度的钛（例如，从约51至约52 at.%）。
在合金的金属元素中的至少一种的浓度中具有分级的形状记忆元件可通过本领域已知的传统冶金技术来制备。在至少一种金属的浓度中具有连续梯度的SMA元件的示例性实施例中（例如，图2），元件可通过使用传统的粉末冶金技术制备。使用这类技术，SMA组分金属的金属粉末被分配到适当的模具中，使得沿着模具形状的尺度在粉末数量的比率中存在分级。在模具中的粉末然后在压力下被加热以烧结金属粉末，从而形成在形状记忆合金中的金属中的至少一种的浓度中具有连续梯度的固体元件。模制且烧结的固体元件本身可用作SMA元件，或使用传统的线成形技术，该固体元件能够沿着浓度梯度尺度被抽吸成沿其长度具有浓度梯度的线。
使用上文描述的粉末冶金技术可制备在至少一种金属的浓度中具有阶梯式分级的形状记忆元件（例如，图4）。
在另一示例性实施例中，在相变响应中的分级可通过在SMA元件的晶体结构中的SMA金属的浓度的分级来提供。即使在形状记忆合金的重量百分比或原子百分比中的总组分可为同质时，在晶体结构中的这类分级也可提供在相变响应中的分级。在一个示例性实施例中，在晶体结构中的分级通过SMA元件的老化中的分级来提供。在老化期间（SMA元件暴露于增加的温度水平持续一段时间），在SMA金属中的一种中富的相或晶体结构可从形状记忆合金的晶格结构中沉淀出，这具有从晶格构造的周围区域消耗该金属的浓度的效果，从而改变形状记忆合金对热刺激的局部化相变响应。在Ni-Ti SMA的示例性实施例中，Ni-富相在老化期间从Ni-Ti晶格沉淀出，消耗周围晶格的Ni并且因此增加SMA相变换温度。通过在老化条件下（例如，改变温度和/或暴露的持续时间）沿着元件的尺度将SMA元件暴露于分级，可实现富含金属中的一种的沉淀物的量的分级（并且因此，残留在SMA晶格中的该金属的量的分级）。
在另一示例性实施例中，在SMA元件的相变响应中的分级可通过元件的形状记忆处理的分级来提供。形状记忆处理（即，训练）通常被执行以将双向形状记忆效应（TWSME）赋予给SMA元件。该训练通常涉及：对元件进行加热以诱发在形状记忆合金中从马氏体到奥氏体的相变；对元件进行冷却以诱发在形状记忆合金中从奥氏体到马氏体的相变；以及当形状记忆合金在马氏体相中时，对马氏体形状记忆合金进行冷加工。这些步骤常常重复多次以便赋予TWSME。沿着SMA元件的尺度处理分级可通过沿着尺度在冷加工期间所施加的应变的量的变化（这影响诸如双晶结构的晶体结构的形成）、元件被加热或被冷却到温度的变化（这可影响在马氏体与奥氏体之间的来回变换的程度）或SMA元件的部分被暴露的重复次数的变化来提供。可沿着SMA元件的尺度以梯度方式或沿着SMA元件的尺度以逐步方式赋予在形状记忆处理中的分级。可以逐步或梯度方式容易地赋予上文描述的处理分级（例如，温度分级）中一些，而沿着SMA元件的尺度以逐步方式更容易地赋予其它分级（例如，应变分级或重复次数中的分级）。
在另一示例性实施例中，分级相变响应可通过利用US专利申请序号No.__/_______标题为“Spatially Graded SMA Actuators （空间分级SMA致动器）”（2012年3月16日以代理人案件号P010884-RD-SDJ提交）的实施例而在SMA元件中产生，该专利申请的公开内容以其整体通过引用并入此处，以提供在SMA元件中的导致分级相变响应的热变化。在一个此类示例性实施例中，SMA元件被构造成响应于热刺激沿着形状记忆合金元件的尺度经历分级的热改变，从而在元件中提供分级的相变响应。在另一此类实施例中，形状记忆合金元件包括：沿着SMA元件的尺度，在垂直于该尺度的平面中的表面周长与横截面积的比率中的或在该平面中的截面几何布置中的分级。在另一此类实施例中， SMA元件在其上具有涂层，其中该涂层包括：沿着SMA元件的尺度，在垂直于该尺度的平面中的截面几何布置中或在厚度中的分级。
如上所讨论的，仅通过将线的端部附接到部件并且将线经受热刺激，可使SMA元件诸如SMA线用作为用于各种装置的致动器，所述致动器意于作用在所述部件上。SMA元件也可与其它部件一体化以形成致动器。例如，在特定的构造中，SMA线可被封装在套筒中用于保护或维持其位置或形状。
虽然已结合本发明的示例性实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物来替代本发明的元件。此外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可以做出许多修改以使具体情形或材料适应于本发明的教义。因此，意图是本发明不被限制到所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入本申请的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1. 一种形状记忆合金元件，其被构造成响应于热刺激沿着所述形状记忆合金元件的尺度经历分级相变，从而提供所述元件沿着所述尺度的分级移位响应。
2. 根据权利要求1所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括多种金属元素，并且包括第一金属元素与第二金属元素的量的比沿着所述尺度的分级。
3. 根据权利要求1所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括在由在形状记忆处理中沿着所述尺度的分级所引起的形状记忆效应中的分级，所述形状记忆处理包括：加热所述元件以引起在形状记忆合金中从马氏体到奥氏体的相变、使所述元件冷却以引起在形状记忆合金从奥氏体到马氏体的相变、以及对所述马氏体形状记忆合金进行冷加工。
4. 根据权利要求1所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述元件包括在由在形状记忆处理中沿着所述尺度的分级所引起的形状记忆效应中的分级，所述形状记忆处理包括：加热所述元件以引起在形状记忆合金中从马氏体到奥氏体的相变、使所述元件冷却以引起在形状记忆合金从奥氏体到马氏体的相变、以及对所述马氏体形状记忆合金进行冷加工。
5. 根据权利要求1-4所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述形状记忆元件被构造成经历的分级相变包括沿着所述尺度的逐步的分级相变。
6. 根据权利要求1-5中任一项所述的形状记忆合金元件，其特征在于，所述形状记忆元件被构造成经历的分级相变包括沿着所述尺度的连续的分级相变。
7. 一种用于形状记忆合金元件的形状记忆处理的方法，包括加热所述元件以引起在所述形状记忆合金中从马氏体到奥氏体的相变、使所述元件冷却以引起在所述形状记忆合金中从奥氏体到马氏体的相变、以及对马氏体形状记忆合金进行冷加工，其中在冷加工中沿着所述元件的尺度的分级被应用或在冷加工期间沿着所述尺度在温度中的分级被应用。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述马氏体形状记忆合金的冷加工中的分级被应用。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在冷加工期间沿着所述尺度应用温度中的分级。
10. 一种处理形状记忆合金元件的方法，包括：在一定的温度对元件进行热处理并且持续足够时间以更改在形状记忆元件中的晶格结构的组成，其中沿着元件的尺度的分级在温度中或在热处理期间被应用。
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