CN112506248B - 一种能够变形回复的记忆合金构件及应用该构件的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于形状记忆合金构件的设计和驱动领域，具体涉及一种能够变形回复的记忆合金构件及应用该构件的装置。本发明记忆合金构件包括本体(7)、设置在本体内部的变截面通道(8)，所述变截面通道(8)包括小通道(2)和大通道(3)，所述本体(7)两端设置有端部连接管(11)，所述大通道(3)的直径为所述小通道(2)的直径的2倍以上，流体从所述端部连接管(11)进入，流经大通道(3)流入所述小通道(2)时，所述小通道(2)能够升温至记忆合金相转变温度点，驱动记忆合金变形回复。本发明不同于传统的镍钛记忆合金构件采用的外部致动的方法，本发明采用的是内部致动，为形状记忆合金构件的变形研究提供了新的思路。

Description

一种能够变形回复的记忆合金构件及应用该构件的装置
技术领域
本发明属于形状记忆合金构件的设计和驱动领域，具体涉及一种能够变形回复的记忆合金构件及应用该构件的装置。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除-切削、组装的加工模式不同，是一种"自下而上"通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，且使得无法实现的复杂结构件制造变为可能。
形状记忆合金(shape memory alloys，SMA)是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应(shape memory effect，SME)的由两种以上金属元素所构成的材料。
现有的形状记忆合金或者其他可发生形变的材料往往是受到外部的刺激发生变形，而且难以控制变形的区域，这将大大限制其应用范围和发展，因此，现有技术仍缺乏一种精确控制镍钛记忆合金构件变形回复的设计方法及其装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种能够变形回复的记忆合金构件，不同于传统的镍钛记忆合金构件采用的外部致动的方法，本发明采用的是内部致动，通过控制记忆合金构件内部的温度从而实现对变形区域的控制，设计结构简单，质量轻，体积小，为形状记忆合金构件的变形研究提供了新的思路。本发明详细方案如下所述。
一种能够变形回复的记忆合金构件，其特征在于，包括本体、设置在本体内部的变截面通道，所述变截面通道包括小通道和大通道，所述本体两端设置有端部连接管，所述大通道的直径为所述小通道的直径的2倍以上，流体从所述端部连接管进入，流经大通道流入所述小通道时，所述小通道能够升温至记忆合金相转变温度点，驱动记忆合金变形回复。
作为优选，所述大通道的长度为大通道管径的5倍以上。
作为优选，所述小通道2的直径与所述大通道的直径之比为1:(2-3)。
作为优选，所述大通道的长度为200mm-1000mm。
作为优选，所述记忆合金为镍钛形状记忆合金或铜基记忆合金。
作为优选，所述记忆合金通过选择性激光熔化成型技术制备而成。
本发明还保护一种应用了能够变形回复的记忆合金构件的装置，包括前面所述的记忆合金构件，所述端部连接管与冷水缸、热水缸连接，所述端部连接管与冷水缸之间设置有冷水阀，所述端部连接管与热水缸之间设置有热水阀，所述冷水阀、热水阀与控制系统电连接，所述控制系统能够控制冷水阀和热水阀的开度。冷水缸里面存储有10-20摄氏度的水，热水缸存储了90-100摄氏度的水。
作为优选，所述控制系统还包括测温模块和反馈控制模块，所述测温模块能够实时监测冷水缸和热水缸中的温度，所述反馈控制模块能够根据通入的水温来计算热水和冷水的比例，控制冷水阀和热水阀的开度。
本发明的有益效果有：
(1)本发明不同于传统的镍钛记忆合金构件采用的外部致动的方法，本发明采用的是内部致动，通过控制记忆合金构件内部的温度从而实现对变形区域的控制，设计结构简单，质量轻，体积小，为形状记忆合金构件的变形研究提供了新的思路。
(2)本发明通过改变记忆合金构件内部的通道来实现在不同区域产生不同温度的目的，通过内部施加高温实现的，便于利用电脑控制，从而实现自动化和可控化。
(3)本发明材料简单、成本低廉、化学性质稳定、对人体没有毒害作用；制备条件温和，能耗小，成本低，采用的加工方法设备简单易操作，所得产品的形状及尺寸可调，有着质量轻、体积小、无毒害等特点。
附图说明
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
图1是本发明装置的变形机理图。
图2是本发明伯努利方程模拟图；
图3是本发明摩擦效应模拟图；
图4是本发明装置的结构示意图。
在附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：壁面1、小通道2、大通道3、冷水缸4、热水缸5、热水阀6、本体7、变截面通道8、记忆合金构件9、变形回复区10、端部连接管11、冷水阀12、控制系统13。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例
本发明的原理如图1所示，包括壁面1、小通道2和大通道3，两个大通道3之间连接有一个小通道2，小通道2和大通道3被壁面1所包围。壁面1相当于构件的本体。当通入流体时，大通道3中流体的温度于通入时的初始温度相当，当流体继续向前流动通过小通道2时，流体温度会有一定程度上升，当流体的温度上升到超过形状记忆合金的相转变温度区间时，即会发生相转变并进一步的发生变形。
根据伯努利方程理想流体压力能，势能，动能在沿着流线方向连续流动是守恒。理想流体流动时没有内损，粘度系数不变。水是比较接近的理想流体的。因此进入细管后流速升高，压力下降。流体是气体时，比如空气，是可压缩的，密度是可变的，粗管进气，细管压缩，出气膨胀降温制冷。如果流体是液体，比如水，管径越细，附着效应越明显，摩擦阻力越大，水的温升越明显，从理论上说，如果管径足够细，甚至可以做到这面进水那面出水蒸气的效果。
如图2所示，s1和s2分别为粗管和细管的横截面积；v1和v2分别为粗管和细管中流体的流速。
由流体的连续性方程有s1v1＝s2v2
其中s1和s2分别为1和2处的流体的横截面积，v1和v2分别为1和2处的流体的速度，因此由上式可知水从粗管流入细管之后速度增加。
根据伯努利方程理想流体压力能，势能，动能在沿着流线方向连续流动是守恒的，具体表示
Figure BDA0002789844470000041
式中p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量。
同时它也可以被表述为
Figure BDA0002789844470000042
由于此处的流管为水平流管，不存在高度的变化，所以上式可以简化为：
Figure BDA0002789844470000043
因此进入细管后流速升高，压力下降，但由于水可以看作不可压缩的理想流体，所以不存在压力下降、体积膨胀而制冷。相反对于水而言，管径越细，附着效应越明显，摩擦阻力越大，摩擦阻力做功越快，水的温升越明显，因此水从粗管流入细管之后确实由一定程度的温度升高。
取如图3所示的一段流体，不考虑其他损失时有：
fs＝Cm
其中f为流体与管壁的摩檫力，s为流体沿着管壁流动的距离，C为水的比热容，m为水的质量，△T为水温的变化。由于流体与管壁的摩檫力与很多因素有关，此处通过查表获得，依据水管摩擦阻力计算表可知f与动压、水流速、公称直径有关，具体可以查表得知。当动压为4492pa，水流速为3m/s，公称直径为15mm时每米长水管的摩擦阻力为12037pa/m。所以当1cm的水向前移动1cm时，即可升温0.16℃。
所以，可以通过控制管道直径来控制温度上升和下降。
发明实施例
一种能够变形回复的记忆合金构件，如图4所示，包括本体7、设置在本体内部的变截面通道8，所述变截面通道8包括小通道2和大通道3，所述本体7两端设置有端部连接管11，所述大通道3的直径为所述小通道2的直径的2倍以上，流体从所述端部连接管11进入，流经大通道3流入所述小通道2时，所述小通道2能够升温驱动记忆合金能够发生形变。
作为优选的实施例，所述大通道的长度为大通道管径的5倍以上。
作为优选的实施例，所述小通道2的直径与所述大通道的直径之比为1:(2-3)。
作为优选的实施例，所述大通道的长度为200mm-1000mm。
作为优选的实施例，所述记忆合金为镍钛形状记忆合金或铜基记忆合金。
作为优选的实施例，所述记忆合金通过选择性激光熔化成型技术制备而成。
一种应用了能够变形回复的记忆合金构件的装置，如图4所示，包括记忆合金构件9，2个大通道3之间连接有1个小通道2位于构成了变形回复区10，所述大通道3的直径为所述小通道2的直径的2倍以上，所述大通道3的长度为200mm以上，所述端部连接管11与冷水缸4、热水缸5连接，所述端部连接管11与冷水缸4之间设置有冷水阀12，所述端部连接管11与热水缸5之间设置有热水阀6，所述冷水阀12、热水阀6与控制系统13电连接，所述控制系统13能够控制冷水阀12和热水阀6的开度。
作为优选的实施例，所述控制系统13还包括测温模块和反馈控制模块，所述测温模块能够实时监测冷水缸4和热水缸5中的温度，所述反馈控制模块能够根据通入的水温来计算热水和冷水的比例，控制冷水阀12和热水阀6的开度。
以下为具体实施例
实施例1
(1)利用NiTi作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective laser melting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和45mm。大通道3的长度设定为200mm。
(2)向制备好的构件中通入78℃的水，5分钟后可观测到构件细管布置区域发生变形。
实施例2
(1)利用NiTi作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective laser melting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和45mm。大通道3的长度设定为200mm。
(2)向制备好的构件中通入75℃的水，5分钟后可观测到构件细管布置区域发生变形。
实施例3
(1)利用CuZnAl作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective lasermelting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和45mm。大通道3的长度设定为200mm。
(2)向制备好的构件中通入48℃的水，5分钟后可观测到构件细管布置区域发生变形。
实施例4
(1)利用CuZnAl作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective lasermelting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和45mm。大通道3的长度设定为200mm。
(2)向制备好的构件中通入45℃的水，5分钟后可观测到构件细管布置区域发生变形。
对比实施例
对比实施例1
(1)利用NiTi作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective laser melting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和45mm。大通道3的长度设定为50mm。
(2)向制备好的构件中通入78℃的水，5分钟后并未观测到构件发生变形。
对比实施例2
(1)利用NiTi作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective laser melting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和30mm。大通道3的长度设定为200mm。
(2)向制备好的构件中通入78℃的水，5分钟后并未观测到构件发生变形。
对比实施例3
(1)利用NiTi作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective laser melting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和30mm。大通道3的长度设定为200mm。
(2)向制备好的构件中通入75℃的水，5分钟后并未观测到构件发生变形。
对比实施例4
(1)利用CuZnAl作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective lasermelting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和45mm。大通道3的长度设定为200mm。
(2)向制备好的构件中通入48℃的水，5分钟后并未观测到构件发生变形。
对比实施例5
(1)利用CuZnAl作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective lasermelting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和30mm。大通道3的长度设定为200mm。
(2)向制备好的构件中通入48℃的水，5分钟后并未观测到构件发生变形。
对比实施例6
(1)利用CuZnAl作为原材料，采用选择性激光熔化成型(Selective lasermelting，简称SLM技术)技术制备出构件，其中小通道2的直径r1和大通道3的直径r2分别设定为15mm和45mm。大通道3的长度设定为200mm。
(2)向制备好的构件中通入45℃的水，5分钟后并未观测到构件发生变形。
整理实施例1-4和对比实施例1-4的测试结果，如表1所示。
表1实施例1-4和对比实施例1-4参数与测试结果表
Figure BDA0002789844470000081
Figure BDA0002789844470000091
通过表1数据可知，通过调节粗细管的直径的比例和升温段的长度可以实现对升温量的调控。通过实施例和对比实施例分析可知，所述小通道2的直径与所述大通道3的直径之比为1:(2-3)，所述大通道3的长度为200mm-1000mm，能够取得较好的效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种能够变形回复的记忆合金构件，其特征在于，包括本体（7）、设置在本体内部的变截面通道（8），所述变截面通道（8）包括小通道（2）和大通道（3），所述本体（7）两端设置有端部连接管（11），所述大通道（3）的直径为所述小通道（2）的直径的2倍以上，流体从所述端部连接管（11）进入，流经大通道（3）流入所述小通道（2）时，所述小通道（2）能够升温至记忆合金相转变温度点，驱动记忆合金变形回复。
2.根据权利要求1所述的记忆合金构件，其特征在于，所述大通道（3）的长度为大通道（3）管径的5倍以上。
3.根据权利要求2所述的记忆合金构件，其特征在于，所述小通道（2）的直径与所述大通道（3）的直径之比为1:（2-3）。
4.根据权利要求3所述的记忆合金构件，其特征在于，所述大通道（3）的长度为200mm-1000mm。
5.根据权利要求1所述的记忆合金构件，其特征在于，所述记忆合金为镍钛形状记忆合金或铜基记忆合金。
6.根据权利要求5所述的记忆合金构件，其特征在于，所述记忆合金通过选择性激光熔化成型技术制备而成。
7.一种应用了能够变形回复的记忆合金构件的装置，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的记忆合金构件（9），所述端部连接管（11）与冷水缸（4）、热水缸（5）连接，所述端部连接管（11）与冷水缸（4）之间设置有冷水阀（12），所述端部连接管（11）与热水缸（5）之间设置有热水阀（6），所述冷水阀（12）、热水阀（6）与控制系统（13）电连接，所述控制系统（13）能够控制冷水阀（12）和热水阀（6）的开度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制系统（13）还包括测温模块和反馈控制模块，所述测温模块能够实时监测冷水缸（4）和热水缸（5）中的温度，所述反馈控制模块能够根据通入的水温来计算热水和冷水的比例，控制冷水阀（12）和热水阀（6）的开度。
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