CN114135454A - 一种片状柔性sma复合驱动器及其成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片状柔性SMA复合驱动器及其成型工艺，属于SMA技术领域。本发明的电热片状柔性SMA复合驱动器厚度可控，尺寸较小，具有柔性。当对片状柔性SMA复合驱动器进行通电时，碳纤维发热均匀稳定，传热效果好，可以实现薄片状SMA结构的稳定、快速致热，并且形状记忆合金的变形对碳纤维复合层的加热与复合效果无影响。本发明中的碳纤维产热率高，且单根尺寸小，可用于精密部件加热，为一些无法直接加热的结构提供解决方案。本发明较好地解决了如何实现二维SMA结构快速电致热这一问题。
Description
技术领域
本发明属于SMA领域，尤其是一种片状柔性SMA复合驱动器及其成型工艺。
背景技术
形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)是一种具有形状记忆效应的智能材料，在软体驱动、临床医疗、航空航天等领域具有很大的应用潜力。形状记忆合金以温度驱动材料金相组织微观相变(马氏体和奥氏体相互转化)，故在使用中需对其进行温度控制，而采用电热激励是工程实际中最为便捷的手段。因此，当前的由SMA制成的驱动器，几乎都采用丝状或弹簧状(由丝绕制而成)结构型式，一方面是因为一维丝状结构在传统工艺下制造更为方便，更重要的是，丝材的结构特征决定了其具有较大的电阻值，有利于输入电能直接转化为焦耳热来驱动结构变形。但是丝状以及弹簧状的SMA驱动器结构变形形式单一、输出力相对较小，且只能作为变形功能结构的驱动元件，限制了SMA在柔性和智能结构中的进一步应用。
二维或带有二维特征的SMA结构在一定条件下可以产生更为丰富的变形和更大的输出力，在柔性、智能机器人中具有很大的应用潜力。直接将其作为功能变形结构，不但有利于驱动结构的集约化，而且有利于设计者更好地在结构的刚度和柔性之间进行协调和匹配。随着金属3D/4D打印技术的发展，使得此类结构在加工制作方面已不存在问题，但制约其在实际中应用的一个重要障碍在于，二维的SMA的有效电阻值通常远小于丝状结构(线状横截面的面积远大于点状横截面)，故采用直接通电的方案无法有效、安全地产生材料相变所需的焦耳热。针对这一问题，已有相关研究，如She et al将带有绝缘层的Ni-Cr电阻丝致密缠绕包裹于SMA板的表面，其基本原理是电阻丝产生的焦耳热过绝缘表皮传导至SMA结构，而不是直接对结构通电。但手工缠绕导线的过程不规范、不可控，缠绕包裹的导线不但额外增大了结构的体积，而且不利于结构的散热。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种片状柔性SMA复合驱动器及其成型工艺。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种片状柔性SMA复合驱动器，包括硅胶封装层、铜箔、碳纤维、导电银胶、硅胶传热层和SMA致动层；
碳纤维的两端通过导电银胶分别固定到两个铜箔上，若干个碳纤维在铜箔上间隔预设距离设置，铜箔外接有用于通电加热导线；铜箔、碳纤维和导电银胶构成致热层；
致热层固定在硅胶传热层上，致热层的另一侧设有硅胶封装层，硅胶传热层的另一侧设有SMA致动层；
当外接电源时，致热层上的碳纤维产生焦耳热，通过硅胶传热层将热量传递给SMA致动层，SMA致动层受热产生变形。
进一步的，硅胶传热层与SMA致动层之间设有导热粘结剂。
进一步的，硅胶封装层通过流延法封装在致热层上。
进一步的，碳纤维为直径为1mm的1K碳纤维。
进一步的，SMA致动层为激光选区熔融的3D打印工艺打印SMA片。
一种片状柔性SMA复合驱动器的成型工艺：
利用流延机流延硅胶传热层；
将铜箔固定到硅胶传热层上；
将碳纤维的两端通过导电银胶固定到两片的铜箔上，间隔预设距离重复固定碳纤维，直至完成预设数量的碳纤维的固定，得到致热层；所述铜箔外接有用于通电加热导线
将致热层固定到硅胶传热层上，之后利用流延机在硅胶传热层的另一侧流延封装层硅胶，得到碳纤维电热复合膜；
利用粘结剂在致热层的另一侧粘结SMA致动层，得到片状柔性SMA复合驱动器。
进一步的，还包括：
利用金属材料激光选区熔融的4D打印工艺打印SMA薄片，作为SMA致动层。
进一步的，具体为：
(1)将ECOFLEX00-10硅胶以质量比1A：1B混合，将混合好后硅胶倒在基底PI膜上，利用流延机开始流延混合硅胶，流延厚度为0.05mm，流延速度为2mm/s，流延完成后加热至60℃，恒温保持30min，流延完成后将PI膜与流延层一同取下，得到的流延层即为硅胶传热层；
(2)将PI膜与硅胶传热层固定到陶瓷基板上，按预设间距与长度单根铺设碳纤维，将碳纤维铺设固定好后，用导电银浆将碳纤维的两端固定到铜箔上，铜箔与碳纤维的中间部分固定在硅胶传热层上；
(3)将步骤固定好的整体放到流延机上流延硅胶封装层，所用材料仍为硅胶，流延厚度为0.05mm，流延速度为2mm/s，流延完成后对其加热至60℃，并恒温保持30min；
(4)待流延硅胶封装层凝固好后将PI膜和陶瓷基板取下，得到碳纤维电热复合膜；
(5)利用金属材料激光选区熔融的4D打印工艺打印SMA薄片，作为SMA致动层；
(6)在SMA致动层和碳纤维电热复合膜之间均匀薄涂一层耐高温导热粘结剂将两者粘结在一块，之后将其置于重物下维持30min，最终得到片状柔性SMA复合驱动器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的片状柔性SMA复合驱动器的成型工艺，结构简单，工艺规范，容易实现，能充分发挥碳纤维加热与SMA驱动的优势。本发明可以根据加热需求的不同可以调节碳纤维之间的间距与数量，以调节加热源的大小与分布。
本发明的片状柔性SMA复合驱动器，片状柔性SMA复合驱动器厚度可控，尺寸较小，具有柔性。当对片状柔性SMA复合驱动器进行通电时，碳纤维发热均匀稳定，传热效果好，可以实现薄片状SMA结构的稳定、快速致热，并且形状记忆合金的变形对碳纤维复合层的加热与复合效果无影响。本发明中的碳纤维产热率高，且单根尺寸小，可用于精密部件加热，为一些无法直接加热的结构提供解决方案。本发明较好地解决了如何实现二维SMA结构快速电致热这一制约该类材料工程应用的基础问题，同时也有利于发挥增材制造的技术优势，为高性能、集约化、智能化形状记忆合金驱动结构的设计开发提供了新的思路，对同类柔性智能结构/器件的设计亦具有借鉴意义。
附图说明
图1为实施例的仿真图，其中，图1为仿真模型图，图1为实验与仿真模型在不同电流条件下加热时间图；
图2为本发明的片状柔性SMA复合驱动器的结构示意图。
其中：1-硅胶封装层；2-铜箔；3-碳纤维；4-导电银胶；5-硅胶传热层；6-SMA致动层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
针对以上问题，本发明提出了一种基于间接热传导原理的柔性复合膜式结构，通过将它与二维片状SMA结构集成在一起，可以集约化的方式实现对SMA结构的高效电热驱动。复合电热膜结构的核心是以碳纤维作为热源，经高效导热材料将焦耳热稳定、均匀地传递至SMA结构；另需考虑对热源材料的封装。本发明旨在探索一种突破直接传热局限性的SMA电致加热解决方案，其实施效果有望拓展形状记忆合金驱动结构的使用模式，发掘该类智能材料在更大范围内的应用潜力。
本发明针对二维SMA结构因电阻过小而无法直接通电加热的问题，提出了一种以连续碳纤维复合材料作为表面分布热源，利用柔性碳纤维电热复合膜对SMA快速加热的解决方案，并对连续碳纤维热源碳纤维电热复合膜的制备及其与SMA基体结构的复合工艺进行了探讨，确定了柔性SMA复合驱动器的具体成型方案。
整体柔性复合结构主要由致热层、传热层、封装层和致动层构成，致热层、传热层和封装层构成了柔性碳纤维电热复合膜。复合结构建构的具体技术方案如下：
致热层设计的目的是为薄片状SMA驱动器结构提供热源，选用1K的小束丝条状碳纤维。碳纤维因具有耐高温、抗摩擦、电阻率大、导热性佳等优点而在电热领域备受青睐。并且本身具有一定柔性，可以柔顺匹配SMA结构的变形。因此对于二维SMA的加热来说，碳纤维是优良的加热源。碳纤维通常可选用商用的条状结构。由于碳纤维自身也具有导电性，因此其作为热源时不能与SMA直接接触以免干扰电热性能，两者之间需设置传热层。此外，碳纤维在通电发热过程中易与空气接触氧化发硬，影响其柔韧性，因此要通过封装层的设置避免其与环境空气直接接触。
传热层选用导热绝缘的柔性硅胶材料，主要作用是隔绝致热层与被加热层，防止被加热层的导电性干扰致热层的电热性能，同时起到粘结致热层与被加热层的作用。封装层同样为柔性硅胶材料，主要是用于固定碳纤维以及隔绝碳纤维与空气接触，避免氧化失效。
碳纤维电热复合膜，即碳纤维、传热层与封装层的集成采用流延工艺铺设完成。流延是一种借助流延机逐层凝固成指定厚度的工艺方案，可以实现硅胶弹性体的逐层凝固成型，利用该工艺成型碳纤维电热复合膜，可以实现单侧弹性体厚度小，成型表面光滑平整，无孔隙，满足驱动器设计制造要求。采用流延工艺，碳纤维铺设平整度较好，碳纤维与硅胶之间的连接情况良好，成型质量好。
本发明中的SMA致动层采用激光选区熔融的3D打印工艺制造。制作过程中需预设其奥氏体和马氏体的两个特征形状，奥氏体态是打印时设置好的形状，打印完成时的形状是奥氏体下的形状。马氏体形状是打印完成后在低温下人为赋予的形状。将它和碳纤维电热复合膜通过导热粘结剂复合在一起。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图2，图2为本发明实施例的结构示意图，一种片状柔性SMA复合驱动器，包括硅胶封装层1、铜箔2、碳纤维3、导电银胶4、硅胶传热层5和SMA致动层6；若干个碳纤维3通过导电银胶4固定到铜箔2上，碳纤维3在铜箔2上间隔预设距离设置，铜箔2外接有导线，用于通电加热；铜箔2、碳纤维3和导电银胶4构成致热层，致热层固定在硅胶传热层5上，致热层的另一侧设有硅胶封装层1，硅胶传热层5的另一侧设有SMA致动层6，硅胶传热层5与SMA致动层6之间设有耐高温的导热粘结剂，如卡夫特导热硅胶。硅胶封装层1通过流延法封装在致热层上。
当外接电源时，致热层上的碳纤维3产生焦耳热，通过硅胶传热层5将热量传递给SMA致动层6，SMA致动层6受热产生变形。
本发明的成型工艺，包括以下步骤：
利用流延机流延硅胶传热层5，具体为：
将ECOFLEX00-10硅胶以质量比1A：1B的混合后，将硅胶倒在基底PI膜上，流延机开始流延硅胶，流延厚度为0.05mm，流延速度为2mm/s，流延完成后对其加热至60℃，恒温保持30min，流延完成后将PI膜与流延层一同取下，得到的流延层即为硅胶传热层5；
在硅胶传热层5上固定致热层，具体为：
将PI膜与硅胶传热层5固定到陶瓷基板上，按预设间距与长度单根铺设碳纤维，将碳纤维铺设固定好后，用导电银浆4将碳纤维3的两端固定到铜箔2上，铜箔2与碳纤维3的中间部分固定在硅胶传热层5上；实施例所用碳纤维规格为T600，单根尺寸宽为1mm，高为38.49μm；
在致热层上流延硅胶封装层1，具体为：
将步骤2)固定好的整体放到流延机上流延硅胶封装层1，所用材料仍为硅胶，流延厚度为0.05mm，流延速度为2mm/s，流延完成后对其加热至60℃，并恒温保持30min；
待流延硅胶封装层1凝固好后将陶瓷基板和PI膜取下，得到碳纤维电热复合膜；
利用金属材料激光选区熔融的4D打印工艺打印SMA薄片；
在SMA薄片和碳纤维电热复合膜之间均匀薄涂一层耐高温的导热粘结剂将两者粘结在一块，之后将其置于在1kg重物下维持30min，最终稳定形成柔性复合驱动器；
成型结束后对碳纤维通电以产生可诱发SMA相变的焦耳热，即可实现热驱动柔性复合驱动器，使其发生相变变形。
实施例
利用COMSOL仿真平台对片状柔性SMA复合驱动器进行瞬态电热耦合分析。在仿真过程中，以25×15×0.35mm的薄片状SMA结构作为驱动元件，以厚度为0.05mm的ECOFLEX硅胶作为传热层，建立它们与条状碳纤维的复合模型，碳纤维按照等间隔1mm的间距铺设，本次仿真中共铺设八根碳纤维作为热源。封装层同样采用厚度为0.05mm的ECOFLEX硅胶。由于实际实验过程中导热粘结剂用于将SMA与碳纤维电热复合膜粘结在一起，因此仿真模型中在传热层与SMA之间同样构建了一层粘结剂薄层，厚度为0.05mm。模型的边界条件为自然对流，环境温度为20℃，采用自由四面体网格单元，外加激励条件为碳纤维的一端施加电激励，另一端接地。建立焦耳热与固体传热耦合仿真模型，整体模型如图1，如图1(b所示。从图中可以看出，随着横坐标电流的不断加大，纵坐标即加热SMA所需的时间不断减小，这归因于电流越大，碳纤维产热越快，相应的SMA达到Af的时间也越小。从图中可以看出，柔性SMA复合驱动结构的实际耗时随电流的变化规律与仿真结果一致，但实际耗时相较于理论仿真结果偏大，存在大约0.3s的差异。造成该结果差异主要是因为4D打印SMA的尺寸存在一定的误差、复合层和SMA层之间粘结剂以及由此产生的空气热阻的影响。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种片状柔性SMA复合驱动器，其特征在于，包括硅胶封装层(1)、铜箔(2)、碳纤维(3)、导电银胶(4)、硅胶传热层(5)和SMA致动层(6)；
碳纤维(3)的两端通过导电银胶(4)分别固定到两个铜箔(2)上，若干个碳纤维(3)在铜箔(2)上间隔预设距离设置，铜箔(2)外接有用于通电加热导线；铜箔(2)、碳纤维(3)和导电银胶(4)构成致热层；
致热层固定在硅胶传热层(5)上，致热层的另一侧设有硅胶封装层(1)，硅胶传热层(5)的另一侧设有SMA致动层(6)；
当外接电源时，致热层上的碳纤维(3)产生焦耳热，通过硅胶传热层(5)将热量传递给SMA致动层(6)，SMA致动层(6)受热产生变形。
2.根据权利要求1所述的片状柔性SMA复合驱动器，其特征在于，硅胶传热层(5)与SMA致动层(6)之间设有导热粘结剂。
3.根据权利要求1所述的片状柔性SMA复合驱动器，其特征在于，硅胶封装层(1)通过流延法封装在致热层上。
4.根据权利要求1所述的片状柔性SMA复合驱动器，其特征在于，碳纤维(3)为直径为1mm的碳纤维。
5.根据权利要求1所述的片状柔性SMA复合驱动器，其特征在于，SMA致动层(6)为激光选区熔融的3D打印工艺打印SMA片。
6.一种片状柔性SMA复合驱动器的成型工艺，其特征在于：
利用流延机流延硅胶传热层(5)；
将铜箔(2)固定到硅胶传热层(5)上；
将碳纤维(3)的两端通过导电银胶(4)固定到两片的铜箔(2)上，间隔预设距离重复固定碳纤维(3)，直至完成预设数量的碳纤维(3)的固定，得到致热层；所述铜箔(2)外接有用于通电加热导线
将致热层固定到硅胶传热层(5)上，之后利用流延机在硅胶传热层(5)的另一侧流延封装层硅胶(1)，得到碳纤维电热复合膜；
利用粘结剂在致热层的另一侧粘结SMA致动层(6)，得到片状柔性SMA复合驱动器。
7.根据权利要求6所述的片状柔性SMA复合驱动器的成型工艺，其特征在于，还包括：
利用金属材料激光选区熔融的4D打印工艺打印SMA薄片，作为SMA致动层(6)。
8.根据权利要求6所述的片状柔性SMA复合驱动器的成型工艺，其特征在于，具体为：
(1)将ECOFLEX00-10硅胶以质量比1A：1B混合，将混合好后硅胶倒在基底PI膜上，利用流延机开始流延混合硅胶，流延厚度为0.05mm，流延速度为2mm/s，流延完成后加热至60℃，恒温保持30min，流延完成后将PI膜与流延层一同取下，得到的流延层即为硅胶传热层(5)；
(2)将PI膜与硅胶传热层(5)固定到陶瓷基板上，按预设间距与长度单根铺设碳纤维(3)，将碳纤维(3)铺设固定好后，用导电银浆(4)将碳纤维(3)的两端固定到铜箔(2)上，铜箔(2)与碳纤维(3)的中间部分固定在硅胶传热层(5)上；
(3)将步骤(2)固定好的整体放到流延机上流延硅胶封装层(1)，所用材料仍为硅胶，流延厚度为0.05mm，流延速度为2mm/s，流延完成后对其加热至60℃，并恒温保持30min；
(4)待流延硅胶封装层(1)凝固好后分别将PI膜和陶瓷基板取下，得到碳纤维电热复合膜；
(5)利用金属材料激光选区熔融的4D打印工艺打印SMA薄片，作为SMA致动层；
(6)在SMA致动层(6)和碳纤维电热复合膜之间均匀薄涂一层耐高温导热粘结剂将两者粘结在一块，之后将其置于重物下维持30min，最终得到片状柔性SMA复合驱动器。
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