CN108799029A - 一种基于形状记忆合金的复合驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金的复合驱动器。所述复合驱动器包括中心芯、包覆在中心芯表面的冷却层和包覆在冷却层表面的导电层；中心芯的材料为形状记忆合金；冷却层的材料为电卡材料。本发明中心芯采用形状记忆合金，在中心芯外表面包覆电卡材料作为冷却层，利用形状记忆合金对温度敏感的特性，通过给电卡材料施加与撤销电场，使电卡材料产生吸热与放热过程，从而使电卡材料对形状记忆合金进行加热及冷却处理，使形状记忆合金完成逆相变与相变过程，从而达到驱动目的，其冷却速度快、结构简单、成本低，且尺寸大小不受限制。

Description

一种基于形状记忆合金的复合驱动器
技术领域
本发明涉及驱动器技术领域，特别是涉及一种基于形状记忆合金的复合驱动器。
背景技术
智能结构是以智能材料为主导材料，具有仿生命的感觉和自我调节功能的结构系统。而智能材料则是某些具有特殊功能的材料，如压电材料、光导纤维、电磁流变液体、形状记忆材料、磁致伸缩材料和智能高分子材料等等。近年来形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，SMA)作为一种新型智能材料，以它独特的形状记忆效应(Shape MemoryEffect，SME)、超弹性效应(SuperElascic Effect，SEE)、优良的理化性能和生物相容性，在工程、控制、医疗、能源与机械等领域应用日趋广泛。
形状记忆合金作为一种新型功能材料为人们所认识，并成为一个独立的学科分支，开始于1963年。当时美国海军武器实验室(Naval Ordinance Laboratory)的W.J.Buechler博士研究小组，在一次偶然的情况下发现，Ni-Ti合金工件因为温度的不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金的声阻尼性能与温度有关。通过进一步研究发现，近等原子比的Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应，并且报道了通过X射线衍射等实验的研究结果。形状记忆合金因其具有形状记忆效应而得名，可以说具有热弹性马氏体相变的合金都具有形状记忆效应，目前主要有三类：NiTi基、Cu基和Fe基，记忆效果较好的是NiTi基合金。
形状记忆合金驱动器利用高温相和低温相相互转变过程中产生的变形或者回复力达到驱动目的，与传统机械或者电磁驱动方式相比，形状记忆合金驱动器具有以下特点：几乎没有驱动能量的消耗；具有最高的变形能力，因此可以获得较大的驱动行程；具有最高的工作和断裂应力，因此材料本身可以胜任强度要求更高的驱动元件和结构；具有非常高的能量体积比(能量密度)，结合材料本身的相对高强度和NiTi系合金良好的记忆特性，因此可以提供较大的驱动力。
但目前针对各类形状记忆合金驱动器其最大的缺陷为其冷却问题，虽然通过脉宽电流可以在几秒之内使其完成逆相变过程，但却要通过几十秒的时间才能完成相变过程，冷却时间长，这就极大的限制了形状记忆合金的应用领域。虽然可以通过外加冷却装置加快冷却，如风冷、气冷或水冷装置等，但是仍然需要较长的时间，并且还增加了整个装置的体积及质量，使得驱动器在有限的驱动空间内不能得以应用，同时也增加了整个装置的成本。
发明内容
基于此，有必要提供一种冷却速度快、结构简单、成本低的基于形状记忆合金的复合驱动器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于形状记忆合金的复合驱动器，所述复合驱动器包括中心芯、包覆在所述中心芯表面的冷却层和包覆在所述冷却层表面的导电层；所述中心芯的材料为形状记忆合金；所述冷却层的材料为电卡材料。
可选的，所述导电层为电极。
可选的，所述导电层为形状记忆合金。
可选的，所述导电层由第一导电部和第二导电部构成；所述第一导电部和所述第二导电部均与所述电卡材料层贴合；所述第一导电部为形状记忆合金，所述第二导电部为电极。
可选的，所述电卡材料为无机材料、有机材料或混合材料；所述混合材料由所述无机材料与所述有机材料混合而成。
可选的，所述无机材料为BaTiO3、Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-(x4)O3、(Pb1-mLam)(Zr1- nSnnTi0.05)O3系、Pb(Zr1-aTia)O3、Pb1-bBabZrO3中的一种；其中0.01≤x≤0.09，0.05≤y≤0.35、0.01≤m≤0.09，0.2≤n≤0.4、0.05≤a≤0.52、0.025≤b≤0.3。
可选的，所述有机材料为聚偏氟乙烯-三氟乙烯与聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯构成的混合物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯或聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯；所述混合物中聚偏氟乙烯-三氟乙烯与聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯的质量比为c：(100-c)，其中0＜c＜100；所述聚偏氟乙烯-三氟乙烯中聚偏氟乙烯与三氟乙烯的摩尔比为(100-k)：k，其中30≤k≤50；所述聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯中聚偏氟乙烯、三氟乙烯、氯氟乙烯的摩尔比为(100-p-q)：p：q，其中30≤p≤40，5≤q≤10。
可选的，所述混合材料中无机材料与有机材料的比值为(100-f)：f，其中0＜f＜100；所述比值为质量比或体积比。
可选的，所述形状记忆合金的材料为镍钛基、铜基系或铁基系；所述电极的材料为金、铂或导电银浆。
可选的，所述中心芯的形状为细长丝状，且横截面为圆形；所述横截面的直径d的范围为0.01mm≤d≤2mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于形状记忆合金的复合驱动器，所述复合驱动器包括中心芯、包覆在中心芯表面的冷却层和包覆在冷却层表面的导电层，中心芯的材料为形状记忆合金，冷却层的材料为电卡材料。该复合驱动器中心芯采用形状记忆合金，在中心芯外表面包覆电卡材料作为冷却层，这样利用形状记忆合金对温度敏感的特性，通过给电卡材料施加与撤销电场，使电卡材料产生吸热与放热过程，从而使电卡材料对形状记忆合金进行加热及冷却处理，使形状记忆合金完成逆相变与相变过程，从而达到驱动目的，其冷却速度快、效率高、结构简单、成本低，且尺寸大小不受限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种基于形状记忆合金的复合驱动器的结构示意图；
图2为基于形状记忆合金的复合驱动器的电卡材料Pb0.8Ba0.2ZrO3的变温电滞回线示意图；
图3为形状记忆合金复合电卡材料Pb0.8Ba0.2ZrO3的升温与降温的结果曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种基于形状记忆合金的复合驱动器的结构示意图。
参见图1，实施例的基于形状记忆合金的复合驱动器，所述复合驱动器包括中心芯1、包覆在所述中心芯1表面的冷却层2和包覆在所述冷却层2表面的导电层3；所述中心芯1的材料为形状记忆合金，所述中心芯1的横截面为凸多边形或凹多边形；所述冷却层2的材料为电卡材料，所述电卡材料为无机材料、有机材料或混合材料，所述混合材料由所述无机材料与所述有机材料混合而成；所述导电层3为电极，或者所述导电层3还可以为形状记忆合金，或者所述导电层3由第一导电部和第二导电部构成，所述第一导电部和所述第二导电部均与所述电卡材料层贴合，所述第一导电部和所述第二导电部无重叠部分，所述第一导电部为形状记忆合金，所述第二导电部为电极。该复合驱动器将形状记忆合金与电卡材料复合，通过电卡材料为形状记忆合金提供热源及释放热量的供给方式来实现形状记忆合金的逆相变与相变，从而完成形变达到驱动目的。
图2为基于形状记忆合金的复合驱动器的电卡材料Pb0.8Ba0.2ZrO3的变温电滞回线示意图。参见图2，从高温到低温测试时，在同一可承受最大电场下其最大极化值先升高再降低，在室温附近达到最大，此最大温度为此电卡材料相变温度点，在此相变温度点附近其电卡效应最大，在施加与撤销电场时产生吸热与放热过程，从而使形状记忆合金完成逆相变与相变，达到驱动目的。其他的电卡材料的变温电滞回线测试结果与Pb0.8Ba0.2ZrO3的变温电滞回线测试结果类似。
本实施例中所述中心芯1的横截面为圆形、三角形或矩形，所述中心芯1的形状为细长丝状、块状、板状或其他形式，所述中心芯1可绕制成弹簧形式、弹簧与线型组合形式或其他形式。
本实施例中，所述电卡材料为无机材料，所述无机材料为BaTiO3、Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-(x4)O3、(Pb1-mLam)(Zr1-nSnnTi0.05)O3系、Pb(Zr1-aTia)O3、Pb1-bBabZrO3中的一种；其中0.01≤x≤0.09，0.05≤y≤0.35、0.01≤m≤0.09，0.2≤n≤0.4、0.05≤a≤0.52、0.025≤b≤0.3。
作为一种可选的实施方式，所述电卡材料还可以为有机材料，所述有机材料为聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))与聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(P(VDF-TrFE-CFE))构成的混合物、P(VDF-TrFE)或P(VDF-TrFE-CFE)；P(VDF-TrFE)中聚偏氟乙烯与三氟乙烯的摩尔比为(100-k)：k，其中30≤k≤50；P(VDF-TrFE-CFE)中聚偏氟乙烯、三氟乙烯、氯氟乙烯的摩尔比为(100-p-q)：p：q，其中30≤p≤40，5≤q≤10；所述混合物中P(VDF-TrFE)与P(VDF-TrFE-CFE)的质量比为c：(100-c)，其中0＜c＜100。
作为一种可选的实施方式，所述电卡材料还可以为由所述无机材料与所述有机材料混合而成混合材料，所述混合材料中无机材料与有机材料的比值为(100-f)：f，其中0＜f＜100，所述比值为质量比或体积比。
该实施方式中，所述无机材料为BaTiO3、Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-(x4)O3、(Pb1-mLam)(Zr1- nSnnTi0.05)O3系、Pb(Zr1-aTia)O3、Pb1-bBabZrO3中的一种；其中0.01≤x≤0.09，0.05≤y≤0.35、0.01≤m≤0.09，0.2≤n≤0.4、0.05≤a≤0.52、0.025≤b≤0.3。所述有机材料为聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))与聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(P(VDF-TrFE-CFE))构成的混合物、P(VDF-TrFE)或P(VDF-TrFE-CFE)；P(VDF-TrFE)中聚偏氟乙烯与三氟乙烯的摩尔比为(100-k)：k，其中30≤k≤50；P(VDF-TrFE-CFE)中聚偏氟乙烯、三氟乙烯、氯氟乙烯的摩尔比为(100-p-q)：p：q，其中30≤p≤40，5≤q≤10；所述混合物中P(VDF-TrFE)与P(VDF-TrFE-CFE)的质量比为c：(100-c)，其中0＜c＜100。
作为一种可选的实施方式，所述形状记忆合金的材料为镍钛基、铜基系或铁基系，所述电极的材料为金、铂或导电银浆。
作为一种可选的实施方式，所述中心芯1的形状为细长丝状，且横截面为圆形；所述横截面的直径d的范围为0.01mm≤d≤2mm。
图3为形状记忆合金复合电卡材料Pb0.8Ba0.2ZrO3的升温与降温的结果曲线图。参见图3，在施加电场时，电卡材料吸热，当达到SMA逆相变开始温度时，SMA开始逆相变产生变形，输出应变增大，当达到逆相变结束温度时变形结束，SMA变形最大，输出应变达到最大值；在撤销电场时，电卡材料放热，温度降低，形状记忆合金完成相变过程，因为部分热量通过热传导及热对流释放，降温过程要比升温过程时间长。形状记忆合金复合其他电卡材料的升温与降温测试结果与该结果类似。
本实施例中的基于形状记忆合金的复合驱动器，其中冷却层2中的电卡材料在施加与撤销电场时会产生吸热与放热过程，这样电卡材料就为中心芯1的形状记忆合金提供热源及释放热量，中心芯1的形状记忆合金吸收与释放热量，从而完成了逆相变与相变过程，产生形变，从而达到驱动的目的，其冷却速度快、结构简单、成本低，且尺寸大小不受限制。本实施例中对电卡材料施加的电场不同，则电卡材料吸收热量的效率就不同，制冷效率也就不同，从而形状记忆合金完成相变的速率就不同，本发明通过电卡材料高效率的制冷机制使之完成相变过程，相较传统的冷却机制冷却效率更高，更加小型化。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于形状记忆合金的复合驱动器，其特征在于，所述复合驱动器包括中心芯、包覆在所述中心芯表面的冷却层和包覆在所述冷却层表面的导电层；所述中心芯的材料为形状记忆合金；所述冷却层的材料为电卡材料。
2.根据权利要求1所述的复合驱动器，其特征在于，所述导电层为电极。
3.根据权利要求1所述的复合驱动器，其特征在于，所述导电层为形状记忆合金。
4.根据权利要求1所述的复合驱动器，其特征在于，所述导电层由第一导电部和第二导电部构成；所述第一导电部和所述第二导电部均与所述电卡材料层贴合；所述第一导电部为形状记忆合金，所述第二导电部为电极。
5.根据权利要求1所述的复合驱动器，其特征在于，所述电卡材料为无机材料、有机材料或混合材料；所述混合材料由所述无机材料与所述有机材料混合而成。
6.根据权利要求5所述的复合驱动器，其特征在于，所述无机材料为BaTiO3、Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-(x/4)O3、(Pb1-mLam)(Zr1-nSnnTi0.05)O3系、Pb(Zr1-aTia)O3、Pb1-bBabZrO3中的一种；其中0.01≤x≤0.09，0.05≤y≤0.35、0.01≤m≤0.09，0.2≤n≤0.4、0.05≤a≤0.52、0.025≤b≤0.3。
7.根据权利要求5所述的复合驱动器，其特征在于，所述有机材料为聚偏氟乙烯-三氟乙烯与聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯构成的混合物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯或聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯；所述混合物中聚偏氟乙烯-三氟乙烯与聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯的质量比为c：(100-c)，其中0＜c＜100；所述聚偏氟乙烯-三氟乙烯中聚偏氟乙烯与三氟乙烯的摩尔比为(100-k)：k，其中30≤k≤50；所述聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯中聚偏氟乙烯、三氟乙烯、氯氟乙烯的摩尔比为(100-p-q)：p：q，其中30≤p≤40，5≤q≤10。
8.根据权利要求5所述的复合驱动器，其特征在于，所述混合材料中无机材料与有机材料的比值为(100-f)：f，其中0＜f＜100；所述比值为质量比或体积比。
9.根据权利要求4所述的复合驱动器，其特征在于，所述形状记忆合金的材料为镍钛基、铜基系或铁基系；所述电极的材料为金、铂或导电银浆。
10.根据权利要求1所述的复合驱动器，其特征在于，所述中心芯的形状为细长丝状，且横截面为圆形；所述横截面的直径d的范围为0.01mm≤d≤2mm。
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