形狀記憶合金電機(jī)研究與應(yīng)用中的若干新發(fā)展
楊 凱，辜承林
(華中理工大學(xué)，湖北武漢430074)
摘要：概括了形狀記憶合金的相變晶體學(xué)和熱力學(xué)特性，并在此基礎(chǔ)上介紹了形狀記憶合金電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、驅(qū)動、控制和應(yīng)用．綜述了當(dāng)前形狀記憶合金電機(jī)的應(yīng)用與研究中的若干熱點(diǎn)，
關(guān)鍵詞：形狀記憶合金(sma)，形狀記憶效應(yīng)(sme)，sma電機(jī)
中圖分類號：tm301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)02-0032-04
觀代化工業(yè)，特別是微型機(jī)器人和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對體積小、重量輕、高功率密度電機(jī)的需求與日劇增。傳統(tǒng)伺服電機(jī)因?yàn)楣β室恢亓勘鹊�，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動點(diǎn)的地方，而且電機(jī)高速運(yùn)行后需有減速齒輪降低速度，致使傳動系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實(shí)用要求。為此，人們研制了利用功能材料構(gòu)成的各類新型電機(jī)，如記憶合金電機(jī)、壓電效應(yīng)電機(jī)、電致伸縮電機(jī)和磁致伸縮電機(jī)等。其中，壓電、電致伸縮和磁致伸縮電機(jī)反應(yīng)速度較快，但輸出位移小，使用受到了一些限制。比較而言，形狀記憶合金(簡稱sma)電機(jī)輸出位移大，同時(shí)有較高的功率一重量比，具有廣闊的應(yīng)用前景。
sma電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理及運(yùn)行控制方式均與傳統(tǒng)電機(jī)不同。它是利用sma材料的獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)(簡稱為sme)，輔以一定的偏動裝置（彈簧或彈性體），通過特定的控制手段，構(gòu)成雙程可逆致動元件，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。
1 sma與sme
有一種特殊的金屬材料，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蠹淳哂谢貜?fù)形狀的能力，這種材料被稱為形狀記憶合金，這種能力亦稱為形狀記憶效應(yīng)。通常，sma枉低溫時(shí)產(chǎn)生塑性變形，溫度升高后，克服塑性變形回復(fù)到所記憶的形狀。研究表明，很多合金材料都具sme，但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的，才有利用價(jià)值。到目前為止，應(yīng)用最多的是ni- ti合金和銅基合金(cuznai和 cuaini)。從合金相變的角度來看，sme的實(shí)質(zhì)是sma內(nèi)部的熱彈性馬氏體相變，當(dāng)母相過冷到馬氏體相與母相化學(xué)自由能平衡溫度丁。以下適當(dāng)溫度 m.時(shí)，馬氏體將長大，直到熱化學(xué)自由能和彈性非化學(xué)自由能兩者之差最小時(shí)，馬氏體的生長過程才告結(jié)束。同樣，只有當(dāng)馬氏體過熱到to以上溫度a。時(shí)，在相變驅(qū)動力作用下，馬氏體縮小的逆轉(zhuǎn)變過程才能開始。
圖1現(xiàn)實(shí)了相變特性及相變循環(huán)中的關(guān)關(guān)鍵點(diǎn)，其中m、mr為馬氏體相變的開始和結(jié)束時(shí)的溫度，a。、af為逆相變的起始和結(jié)束溫度，人們通常用相變溫度af表征合金的特性。通常，sma能夠完全恢復(fù)的形變量可達(dá)百分之6～8（遠(yuǎn)非一般材料所能比擬），形變溫度范圍一般在-100～200℃之間，主要受合金成分及熱處理制度等因素的影響。形狀恢形狀記憶合金電機(jī)研究與應(yīng)用中的若干新發(fā)展楊凱辜承林復(fù)時(shí)會產(chǎn)生很大的回復(fù)力(有的高達(dá)200mpa)且機(jī)械特性有較大的變化。
圖2給出了ni-ti合金在拉力作用下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。馬氏體在較低的應(yīng)力下就能產(chǎn)生塑性變形，而高溫奧氏體具有很高的屈服應(yīng)力。虛線表明，去除應(yīng)力的馬氏體經(jīng)加熱后轉(zhuǎn)化為奧氏體，回復(fù)到它所記憶的形狀，而奧氏體經(jīng)形變后加熱卻沒有類似的現(xiàn)象。大多數(shù)情況下sme是單程的，如果要得到往返運(yùn)動，必須人為地使sma在低溫時(shí)產(chǎn)生塑性形變，所以實(shí)際應(yīng)用中多用偏置彈簧與sma配合使用。一些合金經(jīng)過特殊的熱處理和機(jī)械訓(xùn)練，也能具有雙程的sme，即加熱和冷卻時(shí)都產(chǎn)生形狀的變化。但與單程的sme相比，雙程sme所產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)變和形狀回復(fù)力都要小一些。
2基本結(jié)構(gòu)和工作原理
sma電機(jī)由驅(qū)動元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。驅(qū)動元件即sma材料，多為絲材、片材和管材，可根據(jù)需要做成不同形狀、規(guī)格的驅(qū)動元件，常使用的有直線張力金屬絲型、螺旋壓縮彈簧型、螺旋拉伸彈簧型、懸臂彈簧型、盤狀彈簧型、螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧型、扭轉(zhuǎn)金屬絲型和扭轉(zhuǎn)金屬管型等。傳統(tǒng)的 |
