DE102008038830A1

DE102008038830A1 - Körper auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren einer Oberflächenstruktur und von Reibungskraftniveaus

Info

Publication number: DE102008038830A1
Application number: DE102008038830A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Grosse Pointe Browne; Nancy L. Northville Johnson; Nilesh D. Ann Arbor Mankame; Norman K. Troy Bucknor; Geoffrey P. Los Angeles Mc Knight; William Ventura Barvosa-Carter; Andrew C. Encino Keefe; Christopher P. Newbury Park Henry; Guillermo A. Winnetka Herrera
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2009-02-26
Also published as: US20090047197A1; CN101368663B; CN101368663A

Abstract

Eine Vorrichtung zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur umfasst einen Körper mit zumindest einer Oberfläche, und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit der zumindest einen Oberfläche, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um eine Struktur der zumindest einen Oberfläche zu ändern.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur oder -textur und/oder Reibungskraftniveaus auf einer Oberfläche.
Verschiedenen Vorrichtungen oder Prozesse beruhen auf der Erzeugung oder Beseitigung einer Reibungskraft zwischen gegenüberliegenden Kontaktflächen von zwei Körpern, um eine/n spezifische/n Funktion oder Betrieb auszuführen. Beispielhafte Vorrichtungen mit Oberflächen, die ausgebildet sind, um eine Reibungskraft zu entwickeln oder zu beseitigen, umfassen Kupplungen, Bremsen (Trommelbremsen, Scheibenbremsen und dergleichen), Lager, Traktionsantriebe, Vorrichtungen, die ein Fluid über oder zwischen Oberflächen steuern, Reifen, mechanische Dichtungen, Einspannvorrichtungen und dergleichen. Viele dieser Vorrichtungen sind entweder nicht in der Lage, das Reibungskraftniveau zu steuern oder das Reibungskraftniveau zu steuern, indem sie die Geschwindigkeit von zumindest einer der Kontaktflächen oder die durch diese ausgeübte Normalkraft verstellen.
Des Weiteren ist Reibung an der Oberfläche eines Körpers vorhanden, selbst wenn kein zweiter Körper mit diesem in Kontakt steht. Eine Fluidströmung, eine Luftströmung und/oder ein Luftwiderstand erzeugen Reibungskräfte über einer Oberfläche, die durch Unterschiede in der Struktur der Oberfläche erhöht oder reduziert werden können. Außerdem kann durch Veränderungen der Oberflächenstruktur ein Luftwiderstandsgeräusch reduziert oder das Aussehen einer Oberfläche geändert werden.
Bestehende Vorrichtungen verwenden Aktuatoren und Motoren, um relative Geschwindigkeiten von zumindest einer der Kontaktflächen und/oder durch diese ausgeübte Normalkräfte zu ändern, wie auch um die Reibungskraftniveaus und/oder die Struktur einer Oberfläche zu ändern. Zum Beispiel können Bremsaktuatoren eine Normalkraft zwischen Bremsklötzen ändern, um Reibungskraftniveaus zu ändern. Derzeit befasst man sich mit dem Luftwiderstandsgeräusch an Fahrzeugantennen, indem eine spiralförmige Ummantelung um die Antenne herum vorgesehen ist. Die Änderung der Oberflächenstruktur der Antenne ist wirksam, um die Frequenz des durch die Luftströmung über der Oberfläche der Antenne erzeugten Geräusches zu ändern. Allerdings erzeugt die spiralförmige Ummantelung eine dauerhafte und nicht reversible Struktur der Antenne und kann die Fähigkeit der Antenne, einzufahren und auszufahren, beeinflussen, wie es z. B. bei elektrischen Antennen der Fall ist.
Überdies können derzeitige Vorrichtungen zum Ändern von Reibungskraftniveaus jedoch infolge der hohen Kosten für separate Aktuatoren oder Motoren kostspielig sein. Außerdem können weitere betriebliche oder funktionelle Anforderungen unter Umständen nicht zulassen, dass Aktuatoren und Motoren verwendet werden, um Reibungskraftniveaus zu steuern.
Demzufolge besteht Bedarf an verbesserten Vorrichtungen und Verfahren zum Variieren der Struktur und von Reibungskraftniveaus einer Oberfläche.
Kurzzusammenfassung
Hierin offenbart sind beispielhafte Ausführungsformen von Vorrichtungen und Verfahren zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur mit einem Körper auf der Basis eines aktiven Materials. Eine Vorrichtung zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur umfasst einen Körper mit zumindest einer Oberfläche, und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit der zumindest einen Oberfläche, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um eine Struktur der zumindest einen Oberfläche zu ändern.
Ein Verfahren zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur umfasst, dass ein Körper mit zumindest einer Oberfläche und ein aktives Material vorgesehen werden, das ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um eine Struktur der zumindest einen Oberfläche zu ändern, und das Aktivierungssignal an das aktive Material angelegt wird und die Änderung der Eigenschaft des aktiven Materials bewirkt wird, wobei das aktive Material in funktioneller Verbindung mit der zumindest einen Oberfläche steht und die zumindest eine Oberfläche mit der Änderung der Eigenschaft des aktiven Materials strukturiert wird.
Die oben beschriebenen und weiteren Merkmale sind durch die nachfolgenden Fig. und detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig., die beispielhafte Ausführungsformen sind und in denen gleiche Elemente gleich bezeichnet sind, ist:
1 eine schematische Darstellung eines Körpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren einer Oberflächenstruktur und von Reibungskraftniveaus, die den Kontaktkörper auf der Basis eines aktiven Materials mit (a) einer ersten Oberflächenstruktur und (b) einer zweiten Oberflächenstruktur zeigt;
2 eine schematische Darstellung eines Körpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren einer Oberflächenstruktur und von Reibungskraftniveaus, die den Körper auf der Basis eines aktiven Materials mit (a) einer ersten Steifigkeit und (b) einer zweiten Steifigkeit zeigt;
3 eine schematische Darstellung eines Körpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren einer Oberflächenstruktur und von Reibungskraftniveaus, die den Kontaktkörper auf der Basis eines aktiven Materials mit (a) einer ersten Oberflächenstruktur und (b) einer zweiten Oberflächenstruktur zeigt;
4 eine weitere schematische Darstellung eines Körpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren einer Oberflächenstruktur und von Reibungskraftniveaus, die den Körper auf der Basis eines aktiven Materials mit (a) einer ersten Oberflächenstruktur und (b) einer zweiten Oberflächenstruktur zeigt; und
5 eine schematische Darstellung eines Körpers auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren einer Oberflächenstruktur und von Reibungskraftniveaus, die die Körperoberfläche auf der Basis eines aktiven Materials mit (a) einer Schicht aus einem aktiven Material mit einer ersten Dicke und (b) der Schicht aus einem aktiven Material mit einer zweiten Dicke zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Hierin sind Verfahren und Vorrichtungen zum Variieren einer Struktur und Steuern der Reibungskraft einer Oberfläche beschrieben. Im Gegensatz zum Stand der Technik verwenden die hierin offenbarten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhafterweise aktive Materialien, um die Struktur einer Oberfläche zu modifizieren. Eine Komponente aus einem aktiven Material der Oberfläche lässt eine Steuerung der Reibungskraft durch Variieren der Oberflächenmorphologie der Komponente aus einem aktiven Material über eine Änderung einer Eigenschaft des aktiven Materials nach Empfang eines Aktivierungssignals zu. Diese Änderung kann, abhängig vom Wesen der Änderung des aktiven Materials und/oder dem Vorhandensein eines Vorspann- oder Rückstellmechanismus, entweder reversibel oder permanent sein. Der Begriff „aktives Material", wie hierin verwendet, bezieht sich allgemein auf ein Material, das nach Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft wie z. B. einer Abmessung, einer Form, einer Orientierung, einer Scherkraft, eines Elastizitätsmoduls, eines Biegemoduls, einer Fließgrenze, einer Steifigkeit und dergleichen zeigt. Geeignete aktive Materialien umfassen ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen (SMAs), ferromagnetische Formgedächtnislegierungen (MSMAs), elektroaktive Polymere (EAPs), piezoelektrische Materialien, magnetorheologische (MR) Elastomere, elektrorheologische (ER) Elastome re, elektrostriktive Materialien, magnetostriktive Materialien und dergleichen. Abhängig von dem speziellen aktiven Material kann das Aktivierungssignal ohne Einschränkung die Form eines elektrischen Stromes, eines elektrischen Feldes (Spannung), einer Temperaturänderung, eines magnetischen Feldes, einer mechanischen Belastung oder Spannung (wie z. B. eine spannungsinduzierte Superelastizität einer SMA), einer Änderung der Chemie oder des pH und dergleichen besitzen.
So wie hierin verwendet, bezeichnen die Begriffe „erste/r/s", „zweite/r/s" und dergleichen auch keinerlei Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern dienen vielmehr dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe „der/die/das", „ein/e" bezeichnen keine Begrenzung einer Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem der Elemente, auf die Bezug genommen wird. Darüber hinaus schließen alle Bereiche, die sich auf dieselbe Menge einer vorhandenen Komponente oder eine Abmessung beziehen, die Endpunkte ein und sind einzeln kombinierbar.
In einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur einen Körper mit zumindest einer Oberfläche und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit der zumindest einen Oberfläche, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um eine Struktur der zumindest einen Oberfläche zu ändern. Die Änderung der Struktur der Oberfläche kann ohne Einschränkung das Erzeugen einer Oberflächenstruktur auf einer ansonsten glatten Oberfläche und/oder eine Änderung des Maßstabs, der Größe, der Form, des Abstands, der Anzahl, des Musters, von Nachgiebigkeitseigenschaften und dergleichen der vorhandenen Oberflächenstruktur umfassen.
Die Vorrichtungen zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur und von Reibungskraftniveaus auf einer Oberfläche, wie hierin offenbart, können in jeder Anwendung eingesetzt werden, die durch Reibung negativ oder positiv beeinflusst wird, wie z. B. Traktionsvorrichtungen, Kupplungen, Bremsen, Lagern, aerodynamischen Einrichtungen, Einspannvorrichtungen und dergleichen. Des Weiteren können die Körper auf der Basis eines aktiven Materials verwendet werden, um eine Fluidgrenzschichtströmung über Oberflächen zu steuern. Zum Beispiel können Luftströmungsgrenzschichten, der Luftwiderstand und das Luftgeräusch durch Variieren der Struktur der Oberfläche unter Verwendung von aktiven Materialien gesteuert sein. Diese könnten z. B. verwendet werden, um die Druckkräfte auf einem Fahrzeug zu ändern und die auf Räder aufgebrachte, nach unten gerichtete Kraft anzupassen, um die Leistung für spezifische Betriebszustände maßzuschneidern. Die Struktur kann variiert werden, um turbulente oder laminare Grenzschichtströmungsmuster über eine beliebige variable Strukturoberfläche zu erzeugen. Die Körper auf der Basis eines aktiven Materials können auch verwendet werden, um das durch die Strömung von Luft über eine Oberfläche erzeugte Geräusch zu steuern. Zum Beispiel kann eine Fahrzeugantenne, die eine Oberfläche aus einem aktiven Material umfasst, ausgebildet sein, um die Oberflächenstruktur der Antenne nach Empfang eines Aktivierungssignals durch das aktive Material zu ändern. Die Änderung der Oberflächenstruktur wie z. B. ein Aufrauen der Oberfläche ist wirksam, um das durch die Luftströmung über die Oberfläche der Antenne erzeugte Geräusch zu reduzieren. Zum Beispiel kann im Fall einer elektrischen Antenne die Antenne eine erste, glatte Oberfläche aufweisen, wenn sie verstaut ist und während sie ausfährt. Sobald die Antenne jedoch vollständig ausgefahren ist, kann das aktive Material aktiviert werden, um eine rau strukturierte Antennenoberfläche zu erzeugen. Ebenso können die Körper auf der Basis eines aktiven Materials verwendet werden, um nicht nur das Geräusch einer Luftströmung über eine Oberfläche zu reduzieren, sondern auch, um die Schallreflexion in akustischen Anwendungen zu steuern.
In einer noch weiteren Anwendung können die Körper auf der Basis eines aktiven Materials zum Variieren einer Oberflächenstruktur verwendet werden, um das optische Erscheinungsbild und/oder das Gefühl einer Oberfläche zu steuern, um haptische Signale an einen Benutzer bereitzustellen. Anders ausgedrückt, das Aussehen und/oder das Gefühl einer Oberfläche kann durch die Verwendung der Körper auf der Basis eines aktiven Materials geändert/gesteuert sein. Zum Beispiel kann die Blendwirkung auf einem Fahrzeugarmaturenbrett reduziert werden, indem die Oberflächenstruktur des Armaturenbretts variiert wird, um eine Oberfläche zu erzeugen, die das Sonnenlicht diffus macht oder zerstreut. Alternativ kann die Oberfläche vorübergehend stark reflektierend gemacht werden, um dabei zu unterstützen, es zu bewerkstelligen, dass Strahlungswärme beim Parken in der Sonne in das Fahrzeug gelangt. In einem haptischen Beispiel kann die Struktur einer Bedienknopfoberfläche gesteuert werden, sodass sich das Gefühl des Knopfes in einer Benutzerhand ändert, wenn der Knopf eine vorbestimmte gewünschte Position erreicht. Die Körper auf der Basis eines aktiven Materials können verwendet werden, um eine bestimmte Temperatur oder die Einwirkung eines/r festgelegten Temperaturniveaus oder magnetischen Feldstärke auf einer Oberfläche passiv anzuzeigen. Anders ausgedrückt, der Körper auf der Basis eines aktiven Materials kann ausgebildet sein, um eine Oberflächenstruktur zu ändern, um eine heiße Oberfläche anzuzeigen oder zu zeigen, dass die Oberfläche einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. Eine Änderung der Struktur der Oberfläche kann verwendet werden, um Beschichtungen, Ablagerungen und Fremdkörper (z. B. Eis) von der Oberfläche abzutrennen und zu entfernen. Die Änderung der Struktur der Oberfläche kann verwendet werden, um die Reduktion der Innigkeit eines Kontakts zwischen der Oberfläche und einer zweiten Oberfläche zu unterstützen, und bei Anwendungen, die umfassen, dass zugelassen wird, dass ein Gas oder eine Flüssigkeit durch eine normal abgedichtete Grenzfläche strömt, z. B. für Kühl- oder Belüftungszwecke, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Dies sind nur einige der vielen Beispiele, bei denen die Fähigkeit, die Reibungskräfte anzupassen und/oder die Struktur einer Oberfläche zu variieren, vorteilhaft wäre. Weitere Anwendungen, die in vorteilhafter Weise Gebrauch von den unten stehend offenbarten Ausführungsformen des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials und Verfahren machen könnten, werden dem Fachmann bekannt sein und können ohne Einschränkung eine haptische Lenkradrückkopplung, einen haptischen Aufzugboden, bei dem eine Struktur die Etagennummer anzeigt, und dergleichen umfassen. Jede Plattformkonfiguration, in der der Benutzer bereits mit einer Oberfläche in Kontakt steht und wo man eine Verbindung oder eine Rückkopplung über diese Oberfläche erzeugen möchte. Darüber hinaus sollte einzusehen sein, dass die Oberflächenstruktur und/oder Reibungskraftniveaus der Oberfläche durch aktive Materialien in Verbindung mit dem Körper, der die Oberfläche aufweist, gesteuert ist/sind. Überdies sollte einzusehen sein, dass, während bestimmte Verfahren unter Bezugnahme auf spezifische aktive Materialien beschrieben wurden, jedes beliebige aktive Material zur Verwendung für ein/e bestimmte/s Anwendung und Verfahren geeignet sein kann und von den physikalischen Eigenschaften der Materialien abhängig sein kann. Die aktiven Materialien können auch jede physikalische Form annehmen wie z. B. porös, fest, in einem zweiten Material eingebettet (zufällig oder orientiert), ein Laminat, ein Feststoff, ein Gitter, Partikel, Fasern und dergleichen.
Das aktive Material kann zumindest eine Eigenschaft in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal ändern und zu dem ursprünglichen Zustand der zumindest einen Eigenschaft nach Unterbrechen des Aktivierungssignals zurückkehren, oder, für die Klassen von aktiven Materialien, die nach Unterbrechen des Aktivierungssignals nicht automatisch zurückkehren, können alternative Mittel verwendet werden, um die aktiven Materialien in ihren ursprünglichen Zustand zurückzubringen. Auf diese Weise fungieren die Körper auf der Basis eines aktiven Materials, um sich an sich ändernde Bedingungen anzupassen, während die Einfachheit einer Vorrichtung erhöht und die Ausfallhäufigkeit reduziert ist. Als ein Beispiel einer Anwendung, bei der die Umkehr zurück zu dem ursprünglichen Zustand des aktiven Materials nicht vorteilhaft ist, könnte ein Körper auf der Basis eines SMP verwendet werden. Der Körper auf der Basis eines SMP weist in seinem Erinnerungszustand eine mit Vertiefungen versehene Oberfläche auf. Nach Aktivierung eines Wärmesignals erweicht das SMP dramatisch und die Oberflächenstruktur kann abgeflacht werden, indem die strukturierte Oberfläche gegen eine ebene Oberfläche gepresst wird. Durch Abkühlen, während die Oberflächen in Kontakt gehalten werden, wird die abgeflachte Oberflächengeometrie auf dem Körper auf der Basis des SMP auf Grund des begleitenden drastischen Anstiegs des Moduls des SMP eingesperrt. Ein neuerliches Anlegen des Wärmesignals bei entfernter Oberflächenbelastung wäre erforderlich, um das SMP zu der ursprünglichen, mit Vertiefungen versehenen Oberfläche zurückzubringen. In einem weiteren Beispiel kann der Körper auf der Basis eines aktiven Materials eine Welle sein, die ausgebildet ist, um in eine Fahrzeugnabe zu gleiten. In ihrem ursprünglichen Zustand könnte die Welle einen kleineren Durchmesser als die Nabe besitzen, sodass sie einfach in der Nabe eingebaut werden kann. Sobald sie korrekt innerhalb der Nabe positioniert ist, kann ein Aktivierungssignal an das aktive Material der Welle angelegt werden. Die Änderung zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials kann wirksam sein, um die Oberfläche der Welle innerhalb der Nabe auszudehnen oder zu strukturieren, dadurch die Oberfläche der Welle zu ändern und einen verblockten Sitz mit der Nabe zu erzeugen. Nach Unterbrechen des Aktivierungssignals behält das aktive Material die neue, ausgedehnte Oberfläche.
Die Aktivierung der aktiven Materialien kann auch derart ausgebildet sein, dass sie mit der Zeit variiert. Außerdem kann die mit der Zeit variierende Aktivierung kontinuierlich erfolgen, wobei das aktive Material eine Eigenschaft mit der zeitlichen Veränderung des Aktivierungssignals ändert, im Gegensatz zu einer nicht variierenden Aktivierung, bei der das aktive Material eine Eigenschaft zwischen zwei diskreten Aktivierungszuständen ändert. Die oben angeführten geeigneten aktiven Materialien zur Verwendung in den Körpern auf der Basis eines aktiven Materials werden unten stehend in größerem Detail erläutert.
Mit dem Körper auf der Basis eines aktiven Materials gekoppelt und in funktioneller Verbindung mit diesem ist eine Aktivierungsvorrichtung, die mit einem Steuersystem verbunden sein kann. Die Aktivierungsvorrichtung dient dazu, ein Aktivierungssignal selektiv an den Körper auf der Basis eines aktiven Materials bereitzustellen und eine Struktur oder eine Reibungskraft einer Oberfläche durch Ändern zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials zu ändern. Die Aktivierungsvorrichtung kann ausgebildet sein, um das Wesen der Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials und daher die Änderung der Oberflächenstruktur des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials zu steuern. Beispiele für das steuerbare Wesen der Änderung umfassen ohne Einschränkung eine Änderung eines Maßstabs, eine Änderung einer Größe, eine Änderung einer Form, eine Änderung eines Abstands, eine Änderung eines Musters, eine Änderung einer Anzahl, eine Änderung von Nachgie bigkeitseigenschaften und derartige Änderungen in der Struktur der Oberfläche des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials. Zum Beispiel kann das aktive Material die Oberflächenstruktur des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials abhängig davon variieren, ob jemand eine Knopf in eine gewünschte Position dreht. Die Aktivierungsvorrichtung stellt bei Bedarf das/den Aktivierungssignal oder -reiz an das aktive Material des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials bereit, um die Änderung eines Merkmals wie z. B. jedoch nicht beschränkt auf die Struktur, das Aussehen, die Reibungskraft und dergleichen zumindest eines Abschnitts einer Oberfläche des Körpers zu bewirken. In einer Ausführungsform bleibt die Änderung eines Merkmals im Allgemeinen für die Dauer des angelegten Aktivierungssignals erhalten. Nach Unterbrechen des Aktivierungssignals kehrt das aktive Material allgemein in eine deaktivierte Form zurück und kehrt im Wesentlichen zu der mindestens einen ursprünglichen Eigenschaft zurück und bringt somit den Körper auf der Basis eines aktiven Materials und daher seine Oberfläche zu dem/den ursprünglichen Merkmal und/oder Merkmalen zurück. In einer weiteren Ausführungsform kann die Änderung zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials und/oder eines Merkmals zumindest eines Abschnitts des Körpers auf der Basis eines aktiven Materials nach Unterbrechen des Aktivierungssignals erhalten bleiben. Die unten stehend beschriebenen Ausführungsformen sind rein beispielhaft und sollen auf kein/e bestimmte/s Form, Größe, Abmessung oder Konfiguration, Material oder dergleichen beschränkt sein.
Alternativ kann das Aktivierungssignal an das aktive Material passiv anstatt durch die Verwendung einer Aktivierungsvorrichtung angelegt sein. Auf diese Weise kann das Aktivierungssignal durch die Umgebung bereitgestellt sein, in welcher der Körper auf der Basis eines aktiven Materials angeordnet ist. Eine Oberflächenstruktur kann daher passiv aktiviert sein.
Im Fall einer ferromagnetischen SMA oder eines magnetostriktiven Materials im Allgemeinen wird die Einwirkung eines magnetischen Feldes Abmessungsänderungen in diesen aktiven Materialien bewirken, die, wenn sie geeignet angeordnet oder ausgebildet sind, entweder zu der Erhöhung oder einer Erniedrigung einer Oberflächenstruktur führen werden. Im Fall von thermisch aktivierten Formgedächtnismaterialien wie z. B. einem SMP oder einer SMA kann der thermisch aktivierte Formgedächtniseffekt aktiviert werden, wenn sie einer Temperatur oberhalb einer vorgeschriebenen Grenze ausgesetzt sind. Beispiele für Anwendungen, bei denen eine passive Aktivierung vorteilhaft sein kann, umfassen, dass angezeigt wird, dass ein Inhalt eines Behälters auf der Basis eines aktiven Materials (z. B. Lebensmittelbehälter, Medizinbehälter und dergleichen) verdorben ist und für eine weitere Verwendung nicht geeignet ist, wobei sich eine Oberflächenstruktur ändert, wenn ein SMP oder eine SMA einer Temperatur über einer vorgeschriebenen Grenze ausgesetzt ist. In einem weiteren Beispiel besteht ein Körper auf der Basis eines aktiven Materials wie z. B. eine Fahrzeugmotorhaube aus einem SMP und besitzt eine erste Oberflächenstruktur. Das SMP kann derart ausgebildet sein, dass Wärme von dem Motor wirksam sein kann, um das SMP zu ändern, d. h. zu erweichen, wenn eine gewünschte Temperatur erreicht ist, was zu einer Änderung von der ersten Oberflächenstruktur zu der zweiten Oberflächenstruktur führt.
Mehrere Ausführungsformen der Vorrichtungen auf der Basis eines aktiven Materials und Verfahren zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur sind unten stehend offenbart. In jeder der Fig. ist die spezielle Ausführungsform der einfachen Erläuterung wegen und zum Verständnis der Funktion der speziellen Anwendung der Komponente aus einem aktiven Material in sowohl einem (a) aktivierten Zustand als auch (b) einem deaktivierten Zustand gezeigt.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist ein beispielhafter Körper 10 auf der Basis eines aktiven Materials zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur veranschaulicht. Der Körper 10 besitzt eine Oberfläche 12, die ein aktives Material umfasst, wie in 1(a) gezeigt. Wenn das aktive Material aktiviert wird, erfolgt eine Änderung zumindest einer Eigenschaft, z. B. eine Formänderung des aktiven Materials, die zu einer Änderung der Struktur der Oberfläche 12 führt. In dieser Ausführungsform führt die Änderung einer Form des aktiven Materials zu Falten 14, die sich auf der Oberfläche 12 bilden, wie in 1(b) gezeigt. Optional können Scherkräfte 16 auf die Kanten der Oberfläche 12 aufgebracht werden, um, abhängig von der Richtung und Größe der Scherkräfte 16, den Maßstab oder die Ausrichtung der Falten 14 weiter zu ändern. Des Weiteren ändern die Falten 14 den natürlichen Reibungskoeffizienten des Körpers 10, wenn er von einem anderen Körper berührt wird. Darüber hinaus kann diese Ausführungsform eine weitere Schicht (nicht gezeigt) verwenden, die oben auf dem aktiven Material angeordnet ist und dazu dient, mit den äußeren Kräften zu kommunizieren. Diese kann als eine Beschichtung dienen oder verwendet werden, um das Ansprechen und die Aktivität des aktiven Materials zu erhöhen.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Körper 10 auf der Basis eines aktiven Materials die Oberflächenstruktur variieren, wenn das aktive Material nach Empfang eines Aktivierungssignals aktiviert ist. In den hierin offenbarten Ausführungsformen können die Aktivierungssignale aktiv oder passiv sein. In 1 stellt eine Aktivierungsvorrichtung 18 ein Aktivierungssignal an den Körper 10 auf der Basis eines aktiven Materials bereit. Das durch die Aktivierungsvorrichtung 18 bereitgestellte Aktivierungssignal kann ein Wärmesignal, ein magnetisches Signal, ein elektrisches Signal, ein pneumatisches Signal, ein mechanisches Signal, ein chemisches Signal und dergleichen und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden Signalen umfassen, wobei das spezielle Aktivierungssignal von den Materialien und/oder der Ausgestaltung des aktiven Materials abhängig ist. Zum Beispiel kann ein Wärmesignal angelegt werden, um die Eigenschaft des aus einer SMA und/oder einem SMP hergestellten aktiven Materials zu ändern. Ein elektrisches Signal kann angelegt werden, um die Eigenschaft des aus einem EAP, elektrostriktiven Materialien und/oder elektronischen EAPs hergestellten aktiven Materials zu ändern. Ein magnetisches Feld kann angewendet (entfernt oder geändert) werden, um die Eigenschaft des aus magnetostriktiven Materialien wie z. B. MSMA- und MR-Elastomeren hergestellten aktiven Materials zu ändern.
Wendet man sich nun 2 zu, ist eine weitere Ausführungsform eines Körpers 20 auf der Basis eines aktiven Materials zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur veranschaulicht. Der Körper 20 ist in der Lage, den Reibungskoeffizienten einer Oberfläche 22 von einem isotropen Reibungskoeffizienten zu einem anisotropen Reibungskoeffizienten durch eine Änderung zumindest einer Eigenschaft einer Komponente 24 aus einem aktiven Material zu ändern. Wie in 2(a) gezeigt, umfasst der Körper 20 die Oberfläche 22, wobei die Oberfläche 22 Bänder aus Komponenten 24 aus einem aktiven Material und Elementen 26 mit konstanter Steifigkeit umfasst. Die Oberfläche 22 besitzt einen ersten Reibungskoeffizienten (in 2(b) gezeigt), wenn die Komponente 24 aus einem aktiven Material einen ersten Elastizitätsmodul ähnlich dem der Elemente 26 mit konstanter Steifigkeit besitzt, sodass die Oberfläche 22 des Körpers 20 gleichmäßig ist, was in einem isotropen Reibungskoeffizienten resultiert. Überdies kann die Oberflächenstruktur von der Komponente 24 aus einem aktiven Material zu dem Element 26 mit konstanter Steifigkeit im Wesentlichen gleichmäßig sein und eine gleichmäßige Rei bungskraft zwischen der Oberfläche und einem weiteren Körper in Kontakt mit dieser vorsehen.
Die Oberfläche 22 besitzt einen zweiten Reibungskoeffizienten (in 2(c) gezeigt), wenn die Komponenten 24 aus einem aktiven Material die Änderung zumindest einer Eigenschaft, d. h., eine Steifigkeitsänderung, nach Empfang eines Aktivierungssignals erfahren. In diesem zweiten Elastizitätsmodul besitzen die Komponenten 24 aus einem aktiven Material einen Elastizitätsmodul, der niedriger ist als jener der Elemente 26 mit konstanter Steifigkeit. Die Elemente 26 mit konstanter Steifigkeit sorgen daher für die primäre Reibungskraft zwischen der Oberfläche und einem Körper in Kontakt mit dieser. In diesem Zustand besitzt die Oberfläche auf Grund der Anordnung der Elemente 26 mit konstanter Steifigkeit anisotrope Konstanten. Wenn sie sich auf diesem zweiten Steifigkeitsniveau befinden, sind die Komponenten 24 aus einem aktiven Material in der Lage, verformt zu werden (plastisch oder durch große elastische Verformungen), wenn sie durch eine ausreichende Kraft berührt werden. Durch die technische Ausführung der Gebiete konstanter und variabler Steifigkeit, d. h. der Elemente aus einem aktiven Material, können verschiedene Arten von anisotropen und isotropen Reibungskoeffizienten erzielt werden. Zum Beispiel könnte eine zweidimensionale Wellung zu einem relativ isotropen Reibungskoeffizienten führen, während eine Reihe von linearen Gebieten einen anisotropen Reibungskoeffzienten ergeben kann. Die Oberfläche 22 könnte sogar auf dem zweiten Steifigkeitsniveau eine gewellte Struktur besitzen und dadurch der Oberfläche 22 einen anisotropen Reibungskoeffizienten verleihen. Im Speziellen ist das Ändern des Elastizitätsmoduls der Komponenten 24 aus einem aktiven Material wirksam, um das Reibungskraftniveau des Körpers 20 anisotrop zu ändern. Daher wird das Reibungskraftniveau und in bestimmten Ausführungsformen die Struktur der Oberfläche 22 abwechselnd von der Komponente 24 aus einem aktiven Material zu dem Element 26 mit konstanter Steifigkeit variieren.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein weiterer beispielhafter Körper 30 auf der Basis eines aktiven Materials gezeigt. Der Körper 30 umfasst eine Schicht 32 aus einem aktiven Material und Reibungselemente 34. Die Schicht 32 aus einem aktiven Material ist in der Lage, Reibungskraftniveaus zu steuern und die Struktur der Oberfläche 36 zu ändern, indem sie die Steifigkeit und damit die Form nach Empfang eines Aktivierungssignals ändert. Die Schicht 32 aus einem aktiven Material kann ein beliebiges der oben angeführten aktiven Materialien sein. Zum Beispiel kann in dieser Ausführungsform ein SMP als die Schicht 32 aus einem aktiven Material verwendet werden, die ausgebildet ist, um die Form umzuwandeln, wenn sie über eine Wärmeumwandlungstemperatur erwärmt wird und wenn sie unter die Wärmeumwandlungstemperatur abgekühlt wird. Durch Ändern der Steifigkeit und somit der Nachgiebigkeit gegenüber den Reibungselementen 34 kann der Abschnitt der Reibungselemente, die der Oberfläche ausgesetzt sind, dazu gebracht werden, sich zu ändern. Die Reibungselemente 34, die Stachel 38 aufweisen, können ein elastisches Material wie z. B. ein biegsames Metall umfassen und sind an der SMP-Schicht 32 befestigt. Nach Empfang des Aktivierungssignals, d. h. eines thermischen Signals, kann die SMP-Schicht 32 über eine Wärmeumwandlungstemperatur erwärmt werden, wodurch die Struktur der SMP-Schicht 32 weniger steif gemacht wird und zugelassen wird, dass die Reibungselemente 34 von einer erzwungenen, gebogenen Form, in der die Stachel 38 flach liegen (wie in 3(a) gezeigt), in eine entspannte natürliche Position zurückkehren, in der die Stachel 38 von einer Oberfläche 38 des Körpers 30 vorstehen (wie in 3(b) gezeigt). Wenn das SMP unter die Wärmeumwandlungstemperatur abgekühlt wird, kehrt die SMP-Schicht 32 in eine permanente, steifere Form zurück und zwingt dadurch die Reibungs elemente 34 dazu, sich gerade zu richten. Die deaktivierte SMP-Schicht 32 biegt die Stachel 36 zurück in die Oberfläche 36 des Körpers 30. Wenn daher das Aktivierungssignal an die SMP-Schicht 32 geliefert wird, ändert die Oberfläche 36 die Form von einer im Wesentlichen flachen Oberfläche (3(a)) zu einer Oberfläche mit Stacheln 38, die von ihr vorstehen (3(b)). Die reversible Änderung der Oberflächenform ändert die Struktur und den Reibungskoeffizienten der Oberfläche 36. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können die Reibungselemente 34 alternativ ausgebildet sein, sodass die Stachel 38 von der SMP-Schicht 32 vorstehen, wenn das SMP eine steife Struktur besitzt, jedoch nicht vorstehen, wenn sich das SMP in einem erweichten Zustand befindet.
In 4 ist eine noch weitere Ausführungsform eines Körpers 40 auf der Basis eines aktiven Materials veranschaulicht. Der Körper 40 ist in der Lage, die Oberflächenstruktur zu modifizieren und Reibungskraftniveaus zu steuern, indem er örtlich begrenzte Verschiebungen und/oder Schwingungen induziert. Der Körper 40 umfasst ein Element 42 und Komponenten aus einem aktiven Material 44 in funktioneller Verbindung mit dem Element. In dieser speziellen Ausführungsform sind die Komponenten aus einem aktiven Material flächige Stücke 44 aus einem piezoelektrischen Material, die auf der unteren Fläche des Elements 42 angeordnet sind. Die Komponenten aus einem aktiven Material, d. h. die piezoelektrischen flächigen Stücke, sind derart ausgebildet, dass sie sich bei einer hohen Frequenz in Ansprechen auf das Anlegen einer Spannung (konstant bzw. zeitvariabel) verschieben und/oder schwingen. Das Element 42 umfasst ein flexibles Material mit einer Oberfläche 46. Die Verschiebungen/Schwingungen der piezoelektrischen flächigen Stücke 44 sind wirksam, um die Struktur und das Reibungskraftniveau der Oberfläche 46 zu verändern. Das Element 42 ist ausgebildet, um sich in Ansprechen auf die durch die piezoelektrischen flächigen Stücke 44 gelieferte Kraft zwischen einer ersten Form und einer zweiten Form umzuwandeln. Die piezoelektrischen flächigen Stücke besitzen piezoelektrische Schichten, die von der neutralen Achse entfernt sind, sodass eine Biegung entwickelt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, und verschwindet, wenn die Spannung entfernt wird. Der elektrische Strom liefert eine stehende elektrische Welle, welche eine Welle ist, die in Position bleibt und zu einer Schwingung der piezoelektrischen flächigen Stücke 44 führt.
Wenn das elektrische Signal an die piezoelektrischen flächigen Stücke 44 angelegt wird, verschieben sich und/oder schwingen die flächigen Stücke und das Element 42 geht von einer ersten Form (wie in 4(a) gezeigt) in eine zweite Form (wie in 4(b) gezeigt) über. Die Änderung der Form des ersten Kontaktelements 42 ändert die Reibungskraftniveaus und die Struktur der Oberfläche 46. Die piezoelektrischen flächigen Stücke 44 und die Oberfläche 46 können dazu gebracht werden, in festgelegten Schwingungsmodi mitzuschwingen. Diese Modi werden stehende Wellen einer Verschiebung der Oberfläche 46 erzeugen. Die Änderung des Reibungskraftniveaus der Oberfläche 46 ist von der Stromrichtung der stehenden Welle abhängig, die sich mehrere Male pro Sekunde ändern kann. Das Reibungskraftniveau wird daher direkt durch die örtlich begrenzte/en Verschiebung oder Schwingungen der piezoelektrischen flächigen Stücke 44 induziert und sie können rasch angepasst werden, indem die Amplitude und die relative Frequenz der Anregung der piezoelektrischen flächigen Stücke 44 geändert werden, was wiederum die stehende Verschiebungswelle, die Amplitude der stehenden Welle und dergleichen verändert.
Wendet man sich nun 5 zu, ist ein weiterer beispielhafter Körper 60 auf der Basis eines aktiven Materials veranschaulicht. Der Körper 60 ist in der Lage, die Struktur einer Oberfläche aktiv selektiv zu variieren. In einer speziellen Ausführungsform umfasst der Körper 60 ein mehrschichtiges Element 62 mit Reibungselementen, z. B. Nocken 64, die in dem mehrschichtigen Element 62 eingebettet sind. Die Nocken 64 besitzen eine erste Oberflächenstruktur 63. Das mehrschichtige Element 62 steht in physikalischer Verbindung mit einem Substrat 66 und besitzt eine erste Schicht 68 und eine zweite Schicht 70. Die erste Schicht 68 umfasst ein aktives Material wie z. B. eine SMA, das ausgebildet ist, um die Form in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal wie z. B. ein thermisches Signal zu ändern. Die zweite Schicht 70 kann ein nicht aktives Material oder ein aktives Material sein, das von dem aktiven Material in der ersten Schicht 68 verschieden ist. Die zweite Schicht weist eine zweite Oberflächenstruktur 72 auf, welche einen Reibungskoeffizienten besitzt, der höher ist als jener der Nocken 64. In einer alternativen Ausführungsform können die Nocken 64 einen Reibungskoeffizienten besitzen, der höher ist als jener der Oberfläche 72.
Wenn die erste Schicht 68 aus einem aktiven Material eine erste Form aufweist, wie in 5(a) gezeigt, besitzt die erste Schicht 68 eine erste Dicke (h₁) und die Nocken 64 liegen über der Oberfläche 72 frei, sodass ein zweiter Körper, eine Hand eines Benutzers, eine Luftströmung und dergleichen in Reibungseingriff mit den Nocken 64 treten würde, wenn er/sie den Körper 60 berührt. Wenn die erste Schicht 68 aus einem aktiven Material eine zweite Form aufweist, wie in 5(b) gezeigt, besitzt die erste Schicht 68 eine zweite Dicke (h₂) und die Nocken 64 sind in vertieften Abschnitten 74 der zweiten Schicht 70 angeordnet, sodass sich die Nocken 64 unter der Oberfläche 72 befinden, und ein zweiter Körper, eine Hand eines Benutzers, eine Luftströmung und dergleichen würde mit der Oberfläche 72 in Reibungseingriff treten, wenn er/sie mit dem Körper 60 in physikalischer Verbindung steht. In dieser Ausführungsform bestehen die Nocken 64 aus einem Material mit geringer Reibung und die zweite Schicht 70 umfasst ein Material mit einer Oberfläche mit hoher Reibung.
Somit ist der Körper 60 in der Lage, variabel zwischen zwei Reibungsflächenstrukturen zu wählen, indem die erste Schicht 68 aus einem aktiven Material über ein Aktivierungssignal ausgedehnt und zusammengezogen wird. Wenn die erste Schicht 68 aus einem aktiven Material die erste Form aufweist, stellen die Nocken 64 einen ersten Reibungskoeffizienten bereit. Wenn die erste Schicht 68 aus einem aktiven Material die zweite Form aufweist, stellt die Oberfläche 72 der zweiten Schicht 70 einen zweiten Reibungskoeffizienten bereit.
Es sollte einzusehen sein, dass der Körper 60 auf der Basis eines aktiven Materials nicht auf die spezielle, in 5 gezeigte Form beschränkt ist, sondern der Körper kann jede beliebige Form aufweisen, die in der Lage ist, sich zu ändern, um zwischen zwei Reibungsoberflächenstrukturen zu variieren. In alternativen beispielhaften Ausführungsformen können die Reibungselemente 64 eine Oberfläche mit verschiedenen Oberflächenstrukturen an verschiedenen Abschnitten der Oberfläche aufweisen. Wenn das aktive Material die Form umwandelt, passen sich die Reibungselemente 64 an, um die Abschnitte des der Oberfläche zugewandten Elements zu ändern. Zum Beispiel kann der Körper 60 eine Struktur umfassen, die Stäbe als Reibungselemente aufweist. Die Reibungsstäbe können verschiedene Reibungsoberflächen aufweisen, die parallel zu der Oberfläche 72 eingebettet sind, sodass die Aktivierung des aktiven Materials bewirken würde, dass sich die Stäbe drehen, d. h., von einer Position mit einer Kontaktfläche mit geringer Reibung in eine Position mit einer Kontaktfläche mit hoher Reibung rollen. In einer noch weiteren Ausführungsform können die Nocken sogar Kugellager umfassen und noch größere Änderungen der Reibungskraft der Oberfläche vorsehen.
Vorteilhafterweise können die oben offenbarten Verfahren zum Steuern der Oberflächenstruktur eines Körpers auf der Basis eines aktiven Materi als in jeder Anwendung eingesetzt werden, die durch Reibung negativ oder positiv beeinflusst wird, wie z. B. Traktionsvorrichtungen, Kupplungen, Bremsen, Lagern, aerodynamischen Einrichtungen, Einspannvorrichtungen, haptischen Systemen, zur Lärmreduktion und dergleichen. Weitere Anwendungen, die in vorteilhafter Weise die oben offenbarten Verfahren zum Einsatz bringen könnten, werden für den Fachmann bekannt sein. Überdies sollte einzusehen sein, dass die/das Struktur und/oder Reibungskraftniveau der Oberfläche durch aktive Materialien gesteuert sein kann/können, welche in dem, auf dem oder um den Körper der Oberfläche herum verwendet werden. Des Weiteren sollte einzusehen sein, dass, während bestimmte Verfahren unter Bezugnahme auf spezifische aktiven Materialien beschrieben wurden, jedes aktive Material zur Verwendung für ein bestimmtes Verfahren geeignet sein kann und dies von den physikalischen Eigenschaften der Materialien abhängig sein kann. Die aktiven Materialien können auch jede physikalische Form annehmen wie z. B. porös, fest, in einem zweiten Material eingebettet (zufällig oder orientiert), ein Laminat, ein Feststoff, ein Gitter, Partikel, Fasern und dergleichen.
Wie zuvor erwähnt, umfassen geeignete aktive Materialien für die oben beschriebenen Körper ohne Einschränkung Formgedächtnispolymer (SMPs), Formgedächtnislegierungen (SMAs), magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMAs), MR-Elastomere, piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAPs), elektrostriktive Materialien als eine Klasse und magnetostriktive Materialien als eine weitere Klasse.
Wie zuvor beschrieben, umfassen geeignete aktive Materialien für Körper, die eine Oberflächenstruktur und Reibungskraftniveaus variieren können, ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen („SMAs"; z. B. thermisch und spannungsaktivierte Formgedächtnislegierungen und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMAs)), elektroaktive Polymere (EAPs) wie z. B. dielektrische Elastomere, ionische Polymermetallverbundstoffe (IPMCs), piezoelektrische Materialien (z. B. Polymere, Keramik) und Formgedächtnispolymere (SMPs), Formgedächtniskeramik (SMCs), Baroplaste, magnetorheologische (MR) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), magnetostriktive Materialien und elektrostriktive Materialien und Verbunde aus den vorhergehenden aktiven Materialien mit nicht aktiven Materialien, Systeme, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen, und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen. Der Einfachheit halber und beispielhaft wird hierin auf Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere Bezug genommen. Die Formgedächtniskeramik, Baroplaste und dergleichen kann auf eine ähnliche Weise verwendet werden. Zum Beispiel bewirkt bei Baroplasten eine druckinduzierte Vermischung von Nanophasendomänen von Komponenten hoher und niedriger Glasumwandlungstemperatur (Tg) die Formänderung. Ein Baroplast kann bei relativ niedrigen Temperaturen wiederholt ohne Verschlechterung verarbeitet werden. SMCs sind ähnlich wie SMAs, sind jedoch in der Lage, wesentlich höheren Betriebstemperaturen standzuhalten als andere Formgedächtnismaterialien. Ein Beispiel einer SMC ist ein piezoelektrisches Material.
Die Fähigkeit von Formgedächtnismaterialien, nach dem Anlegen oder Entfernen äußerer Reize in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren, hat zu ihrer Verwendung in Aktuatoren geführt, um Kraft aufzubringen, die zu einer gewünschten Bewegung führt. Aktuatoren aus einem aktiven Material bieten die Möglichkeit einer Reduktion der Größe, des Gewichts, des Volumens, der Kosten, des Lärms des Aktuators und einer Erhöhung der Robustheit im Vergleich zu traditionellen elektromechanischen und hydraulischen Betätigungsmitteln. Ferromagnetische SMAs zum Beispiel zeigen schnelle Abmessungsänderungen von bis zu mehreren Prozent in An sprechen auf ein angelegtes magnetisches Feld (und proportional zu seiner Stärke). Diese Änderungen sind jedoch Änderungen in eine Richtung und nutzen die Aufbringung entweder einer Vorspannkraft oder einer Feldumkehr, um die ferromagnetische SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen.
Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit mindestens zwei verschiedenen temperaturabhängigen Phasen oder Polarität. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird oft als Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Martensit-Anfangstemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, in den Martensit überzugehen, wird oft als Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Der Bereich zwischen A_s und A_f wird oft als der Martensit-zu-Austenit-Umwandlungstemperaturbereich bezeichnet, während der zwischen Ms und M_f oft als der Austenit-zu-Martensit-Umwandlungstemperaturbereich bezeichnet wird. Es sollte angemerkt werden, dass die oben erwähnten Umwandlungstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die die SMA-Probe erfährt. Allgemein steigen diese Temperaturen mit steigender Spannung. Im Hinblick auf die vorhergehenden Eigenschaften erfolgt eine Ver formung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder unterhalb der Austenit-Anfangstemperatur (bei oder unterhalb von A_s). Ein anschließendes Erwärmen über die Austenit-Anfangstemperatur bewirkt, dass die verformte Formgedächtnismaterial-Probe beginnt, bis zur Fertigstellung bei der Austenit-Endtemperatur in ihre ursprüngliche (nicht gespannte) permanente Form zurückzukehren. Somit ist ein geeigneter/s Aktivierungseingang- oder -signal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die ausreicht, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturformt erinnert (d. h. ihre ursprüngliche, nicht gespannte Form), wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess kann über einen Bereich von nur wenigen Grad stattfinden oder eine allmählichere Wiederherstellung über einen größeren Temperaturbereich an den Tag legen. Der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann innerhalb mehrerer Grade abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihren Übergang überspannt, und stellen typischerweise einen Formgedächtniseffekt und einen superelastische Effekte bereit. Zum Beispiel wird in der Martensitphase ein niedrigerer Elastizitätsmodul als in der Austenitphase beobachtet. Formgedächtnislegierungen in der Martensitphase können durch Neuausrichtung der Kristallstrukturanordnung mit der aufgebrachten Spannung große Verformungen durchmachen. Das Material behält diese Form, nachdem die Spannung entfernt wurde. Anders ausgedrückt, durch Spannung induzierte Phasenänderungen in der SMA erfolgen von der Art her in zwei Richtungen, die Aufbringung von ausreichend Spannung, wenn sich eine SMA in ihrer Austenitphase befindet, bewirkt eine Änderung in ihre Martensitphase mit niedrigerem Modul. Das Entfernen der aufgebrachten Spannung wird bewirken, dass die SMA in ihre Austenitphase zurückschaltet und damit ihre Anfangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Beispielhafte Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, der Fließgrenze, des Biegemoduls, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung ist zum Teil von dem Temperaturbereich der beabsichtigten Anwendung abhängig.
Die Rückverformung in die Austenitphase bei einer höheren Temperatur ist begleitet von sehr großen Spannungen (im Vergleich mit denen, die erforderlich sind, um das Material zu verformen), die so hoch sein können wie die natürliche Fließgrenze des Austenitmaterials, manchmal bis zu dem Dreifachen oder mehr der verformten Martensitphase. Für Anwendungen, die eine große Anzahl von Betriebszyklen erfordern, kann eine Dehnung von weniger als oder gleich 4% oder dergleichen der verformten Länge des verwendeten Drahtes erhalten werden. In Experimenten, die mit SMA-Drähten mit einem Durchmesser von 0,5 Millimeter (mm) durchgeführt wurden, wurde die maximale Dehnung in der Größenordnung von 4% erhalten. Dieser Prozentsatz kann sich auf bis zu 8% bei dünneren Drähten oder für Anwendungen mit einer geringen Anzahl an Zyklen erhöhen. Diese Grenze bei der erzielbaren Dehnung bedeutet eine beträchtliche Einschränkung bei der Anwendung von SMA-Aktuatoren, wenn der Raum begrenzt ist.
FSMAs sind eine Unterklasse der SMAs. FSMAs können sich wie herkömmliche SMA-Materialien verhalten, die eine spannungs- oder thermisch induzierte Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit aufweisen. Außerdem sind FSMAs ferromagnetisch und besitzen eine starke magnetokristalline Anisotropie, was zulässt, dass ein äußeres magnetisches Feld die Orientierung/Fraktion von feldausgerichteten martensitischen Varianten beeinflusst. Wenn das magnetische Feld entfernt wird, kann das Material ein vollständiges Zweiwege-, ein partielles Zweiwege- oder ein Einweg-Formgedächtnis aufweisen. Für ein partielles oder Einweg-Formgedächtnis kann ein äußerer Stimulus, eine Temperatur, ein magnetisches Feld oder eine Spannung zulassen, dass das Material in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Ein vollkommenes Zweiwege-Formgedächtnis kann für eine proportionale Steuerung, bei der eine kontinuierliche Energie zugeführt wird, verwendet werden. Ein Einweg-Formgedächtnis ist am nützlichsten für Sperranwendungen, bei denen ein verzögerter Rückstell-Stimulus eine Sperrfunktion zulässt. Äußere magnetische Felder werden in Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen über Elektromagneten mit einem weichmagnetischen Kern erzeugt, obwohl für ein schnelles Ansprechen auch ein Paar Helmholtz-Spulen verwendet werden kann.
Beispielhafte ferromagnetische Formgedächtnislegierungen sind Legierungen auf Nickel-Mangan-Gallium-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis, Legierungen auf Cobalt-Nickel-Aluminium-Basis und Legierungen auf Cobalt-Nickel-Gallium-Basis. Wie SMAs können diese Legierungen binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, der Fließgrenze, des Biegemoduls, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung ist zum Teil von dem Temperaturbereich und der Art des Ansprechens in der beabsichtigten Anwendung abhängig.
Wie zuvor erwähnt, sind weitere beispielhafte Formgedächtnismaterialien Formgedächtnispolymere (SMPs). „Formgedächtnispolymer" bezieht sich allgemein auf ein Polymermaterial, das beim Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft wie z. B. eines Moduls, einer Abmessung, eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, einer optischen Eigenschaft (z. B. Lichtdurchlässigkeit), oder einer Kombination, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften in Kombination mit einer Änderung in seiner Mikrostruktur und/oder Morphologie umfasst, zeigt. Formgedächtnispolymere können wärmeempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungssignal bewirkt, das entweder direkt über eine Wärmezufuhr oder -abfuhr oder indirekt über eine Schwingung mit einer Frequenz, die geeignet ist, um hohe Schwingungsamplituden auf dem Molekularniveau anzuregen, die zu einer inneren Wärmeerzeugung führen, geliefert wird), fotoempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein elektromagnetisches Strahlungsaktivierungssignal bewirkt), feuchtigkeitsempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Flüssigkeitsaktivierungssignal wie z. B. Feuchtigkeit, Wasserdampf oder Wasser bewirkt), chemisch empfindlich (d. h., empfindlich gegenüber einer Veränderung der Konzentration einer oder mehrerer chemischer Spezies in seiner Umgebung, z. B. der Konzentration an H+-ionen, also des pH der Umgebung) oder eine Kombination sein, die zumindest eines der vorhergehenden umfasst.
Im Allgemeinen sind SMPs phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei verschiedene Einheiten umfassen, welche so beschrieben werden können, dass sie verschiedene Segmente innerhalb des SMPs definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMPs beiträgt. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Segment" auf einen Block, einen Pfröpfling oder eine Sequenz desselben oder ähnlicher Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann (semi-)kristallin oder amorph sein und weist eine/n entsprechende/n Schmelzpunkt bzw. eine Glasumwandlungstemperatur (Tg) auf. Der Begriff „Wärmeumwandlungstemperatur" wird hierin einfacherweise verwendet, um allgemein entweder auf eine Tg oder einen Schmelzpunkt Bezug zu nehmen, je nachdem, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMPs, die (n) Segmente umfassen, kann gesagt werden, dass das SMP ein hartes Segment und (n – 1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere Wärmeumwandlungstemperatur aufweist als jedes weiche Segment. Somit weist das SMP (n) Wärmeumwandlungstemperaturen auf. Die Wärmeumwandlungstemperatur des harten Segments wird als die „letzte Umwandlungstemperatur" bezeichnet und die niedrigste Wärmeumwandlungstemperatur des so genannten „weichsten" Segments wird als die „erste Umwandlungstemperatur” bezeichnet. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die durch dieselbe Wärmeumwandlungstemperatur, die auch die letzte Umwandlungstemperatur ist, gekennzeichnet sind, gesagt werden kann, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Umwandlungstemperatur erwärmt wird, kann dem SMP-Material eine permanente Form verliehen werden. Eine permanente Form für das SMP kann durch ein nachfolgendes Abkühlen des SMPs unter diese Temperatur festgelegt oder ins Gedächtnis eingeprägt werden. Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „ursprüngliche Form", „vorher definierte Form", „vorbestimmte Form" und „permanente Form" gleichbedeutend und sollen untereinander austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als eine Wärmeumwandlungstemperatur eines jeglichen weichen Segments ist, jedoch unter der letzten Umwandlungstemperatur liegt, eine äußere Spannung oder Belastung aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und es dann unter die bestimmte Wärmeumwandlungstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird, während die verformende äußere Spannung oder Belastung aufrechterhalten wird.
Die permanente Form kann wiedererlangt werden, indem das Material, während die Spannung oder Belastung entfernt ist, über die bestimmte Wärmeumwandlungstemperatur des weichen Segments, jedoch unter die letzte Umwandlungstemperatur erwärmt wird. Es sollte somit einzusehen sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen zu zeigen, und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere permanente Formen zu zeigen. In ähnlicher Weise wird bei Verwendung eines Ansatzes mit einer Schichtung oder einem Verbund eine Kombination aus mehreren SMPs Übergänge zwischen mehreren temporären und permanenten Formen zeigen.
Das Formgedächtnismaterial kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material auch als ein Aktuator ausgebildet sein, um ein schnelles Ausfahren vorzusehen. Wie hierin verwendet, wird der Begriff „piezoelektrisch" verwendet, um ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form ändert), wenn ein Spannungspotential angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Piezoelektrische Materialien zeigen eine geringe Änderung in den Abmessungen, wenn sie der angelegten Spannung unterworfen werden, wobei das Ansprechen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional ist und sehr schnell erfolgt (in der Lage ist, den Bereich von tausend Hertz ohne weiteres zu erreichen). Da ihre Abmessungsänderung gering ist (z. B. kleiner als 0,1%), werden sie, um das Ausmaß ihrer Abmessungsänderung drastisch zu erhöhen, üblicherweise in Form von piezokeramischen unimorphen und bimorphen flachen Patch-Aktuatoren verwendet, die derart aufgebaut sind, dass sie sich beim Anlegen einer relativ niedrigen Spannung in eine konkave oder konvexe Form verbiegen. Die Formänderung/Verbiegung solcher Patches innerhalb der Auskleidung des Halters ist geeignet, um den gehaltenen Gegenstand zu ergreifen/freizugeben.
Ein Typ eines Unimorphs ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen Element besteht, das außen mit einer/m flexiblen Metallfolie oder -streifen verbunden ist, die/der durch das piezoelektrische Element stimuliert wird, wenn sie/er mit einer sich ändernden Spannung aktiviert wird, und zu einer axialen Wölbung oder Auslenkung führt, wenn sie/er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die Aktuatorbewegung für einen Unimorph kann durch Zusammenziehung oder Ausdehnung erfolgen. Unimorphe können eine Dehnung bis zu einer Höhe von etwa 10% zeigen, jedoch können sie im Allgemeinen nur geringen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
Im Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst eine bimorphe Vorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen geschichtet angeordnet ist. Bimorphe zeigen mehr Verschiebung als Unimorphe, da sich ein keramisches Element unter der angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das andere ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu etwa 20% zeigen, aber können im Allgemeinen, ähnlich wie Unimorphe, keinen hohen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
Beispielhafte piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele für Polymere umfassen Polynatrium-4-Styrolsulfat („PSS"), Poly S-119 (Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid („PVDF"), sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF"), Trifluorethylen („TrFE") und ihre Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylchlorid („PVC"), Polyvinylidenchlorid („PVC2") und ihre Derivate; Polyacrylonitrile („PAN") und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure („PMA") und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane („PU") und ihre Derivate; Biopolymermo leküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Membranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyimide, umfassend Kapton^®-Moleküle und Polyetherimid („PEI") und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-Vinylpyrrolidon) („PVP")-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat („PVAc")-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten; sowie Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Des Weiteren können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, T, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metall-Legierungen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, und Kombinationen umfassen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können z. B. auch ein Metalloxid wie z. B. SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden umfassen; sowie Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Beispielhafte Materialien mit variablem Modul umfassen auch magnetorheologische (MR) und ER-Polymere. MR-Polymere sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße (z. B. ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wie unten beschrieben) in einem Polymer (z. B. einem duroplastischen elastischen Polymer oder Kautschuk). Beispielhafte Polymermatrizen umfassen Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden.
Die Steifigkeit und unter Umständen die Form der Polymerstruktur werden erzielt, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Moduln dadurch verändert werden, dass die Stärke des angelegten magnetischen Feldes variiert wird. Die MR-Polymere entwickeln ihre Struktur typischerweise, wenn sie einem magnetischen Feld so kurz wie einige wenige Millisekunden ausgesetzt werden, wobei die Steifigkeits- und Formänderungen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional sind. Werden die MR-Polymere nicht länger dem magnetischen Feld ausgesetzt, kehrt sich der Vorgang um und das Elastomer kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück. Die kompakte Unterbringung der felderzeugenden Spulen stellt allerdings eine Herausforderung dar.
Elektronische elektroaktive Polymere (EAPs) sind ein Laminat aus einem Paar Elektroden mit einer Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Ein Anlegen eines Potentials zwischen den Elektroden drückt die Zwischenschicht zusammen und bewirkt, dass sie sich in der Ebene ausdehnt. Sie zeigen ein Ansprechen, das proportional zu dem angelegten Feld ist, und können mit hohen Frequenzen betätigt werden. Formverändernde EAP-Laminatfolien wurden demonstriert. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie angelegte Spannungen benötigen, die um ungefähr drei Größenordnungen größer sind als jene, die von Piezoelektrika benötigt werden.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften aufweisen. Ein Beispiel eines elektrostriktiven Pfropfelastomers mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer und/oder Gummi umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorverformtes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, druckempfindliche Haftmittel, Fluorelastomere und Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen (z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer und dergleichen umfassen).
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (z. B. für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 Megapascal (MPa) und etwa 10 MPa oder im Spezielleren zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und im Spezielleren zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durch schlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein, die z. B. eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 Mikrometer aufweisen.
Da elektroaktive Polymere sich bei hohen Dehnungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, können vorzugsweise fügsam sein und sich der sich verändernden Form des Polymers anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, strukturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten (wie z. B. Kohlepasten und Silberpasten), kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis (wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionisch leitfähigen Materialien) wie auch Kombinationen sein, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Beispielhafte Elektrodenmaterialien können Grafit, Ruß, kolloidale Suspensionen, Metalle (einschließlich Silber und Gold), gefüllte Gele und Polymere (z. B. silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere) und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere wie auch Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden umfassen. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen Polymeren gut funktionieren können und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
Magnetostriktiva sind Festkörper, die eine starke mechanische Verformung entwickeln, wenn sie einem äußeren magnetischen Feld unterworfen werden. Dieses Phänomen der Magnetostriktion wird den Drehungen von kleinen magnetischen Domänen in den Materialien zugeschrieben, die zufällig orientiert sind, wenn das Material keinem magnetischen Feld ausgesetzt ist. Die Formänderung ist am größten bei ferromagnetischen oder ferromagnetischen Festkörpern. Diese Materialien besitzen ein sehr schnelles Ansprechvermögen, wobei die Dehnung proportional zu der Stärke des angelegten magnetischen Feldes ist, und sie kehren nach dem Entfernen des Feldes in ihre Ausgangsabmessung zurück. Diese Materialien besitzen jedoch maximale Dehnungen von etwa 0,1 bis etwa 0,2 Prozent.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung offenzulegen, darunter die beste Art, und auch, um jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Der patentfähige Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann in den Sinn kommen. Solche weiteren Beispiele sollen innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von der wörtlichen Darlegung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleiche strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von der wörtlichen Darlegung der Ansprüche umfassen.

Claims

Vorrichtung zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur, die umfasst: einen Körper mit zumindest einer Oberfläche; und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit der zumindest einen Oberfläche, wobei das aktive Material ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um eine Struktur der zumindest einen Oberfläche zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Elastomer, ein elektrostriktives Material, ein magnetostriktives Material oder Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden aktiven Materialien umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Eigenschaft eine Abmessungsänderung, eine Formänderung, eine Orientierungsänderung, eine Biegemoduländerung, eine Elastizitätsmoduländerung oder eine Kombination mit zumindest einer der vorhergehenden Eigenschaften umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungs signal, eine mechanische Belastung oder eine Kombination mit zumindest einem der vorhergehenden Aktivierungssignale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Aktivierungsvorrichtung umfasst, welche ausgebildet ist, um das Aktivierungssignal an das aktive Material zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um eine Luftströmungsgrenzschicht über die Oberfläche hinweg zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um einen Reibungskoeffizienten zwischen der Oberfläche und einem Kontaktkörper zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um ein haptisches Signal bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um einen Lärm zu reduzieren, der durch eine Fluidströmung über der zumindest einen Oberfläche erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um eine Blendwirkung auf der zumindest einen Oberfläche zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um einen von der zumindest einen Oberfläche reflektierten Schall zu zerstreuen und daher zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um Beschichtungen, Ablagerungen, Fremdstoffe und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, von der zumindest einen Oberfläche abzutrennen und zu entfernen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um anzuzeigen, dass die zumindest eine Oberfläche einem ausgewählten oder beiden von einer Temperatur und einem magnetischen Feld über einem vorbestimmten Niveau ausgesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um den Kontakt zwischen der zumindest einen Oberfläche und einer zweiten Oberfläche zu reduzieren, um zuzulassen, dass ein Gas und/oder eine Flüssigkeit durch eine Grenzfläche zwischen der zumindest einen Oberfläche und der zweiten Oberfläche hindurch strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche wirksam ist, um das optische Erscheinungsbild der zumindest einen Oberfläche zu ändern, wobei die Änderung des optischen Erscheinungsbildes ein Übergang zwischen einem glatten Finish und einem matten Finish, eine Induktion eines Strukturierungsmusters und eine Kombination mit zumindest einem der vorhergehenden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Körper weiter umfasst: eine erste Schicht, die das aktive Material umfasst, wobei die erste Schicht ausgebildet ist, um sich von einer ersten Dicke zu einer zweiten Dicke zu ändern, wenn das aktive Material die Änderung einer Eigenschaft erfährt, wobei die Änderung der Dicke wirksam ist, um eine Oberflächenstruktur zu erhöhen und/oder zu erniedrigen.
Verfahren zum selektiven Steuern und Variieren einer Oberflächenstruktur, das umfasst, dass: ein Körper mit zumindest einer Oberfläche und ein aktives Material vorgesehen werden, das ausgebildet ist, um nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft wirksam ist, um eine Struktur der zumindest einen Oberfläche zu ändern; und das Aktivierungssignal an das aktive Material angelegt wird und die Änderung der Eigenschaft des aktiven Materials bewirkt wird, wobei das aktive Material in funktioneller Verbindung mit der zumindest einen Oberfläche steht und die zumindest eine Oberfläche mit der Änderung der Eigenschaft des aktiven Materials strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner umfasst, dass das Aktivierungssignal unterbrochen wird und die Änderung der Struktur der zumindest einen Oberfläche umgekehrt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das aktive Material ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagneti sche Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, ein piezoelektrisches Material, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Elastomer, ein elektrostriktives Material, ein magnetostriktives Material oder eine Kombination mit zumindest einem der vorhergehenden aktiven Materialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Änderung der Eigenschaft eine Abmessungsänderung, eine Formänderung, eine Orientierungsänderung, eine Biegemoduländerung, eine Elastizitätsmoduländerung oder Kombinationen mit zumindest einer der vorhergehenden Eigenschaften umfasst.