形狀記憶合金電機研究與應用中的若干新發(fā)展
楊 凱，辜承林
(華中理工大學，湖北武漢430074)
摘要：概括了形狀記憶合金的相變晶體學和熱力學特性，并在此基礎上介紹了形狀記憶合金電機的結(jié)構、原理、驅(qū)動、控制和應用．綜述了當前形狀記憶合金電機的應用與研究中的若干熱點，
關鍵詞：形狀記憶合金(sma)，形狀記憶效應(sme)，sma電機
中圖分類號：tm301 文獻標識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)02-0032-04
觀代化工業(yè)，特別是微型機器人和計算機技術的飛速發(fā)展，對體積小、重量輕、高功率密度電機的需求與日劇增。傳統(tǒng)伺服電機因為功率一重量比低，必須安裝在遠離驅(qū)動點的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪降低速度，致使傳動系統(tǒng)復雜，結(jié)構累贅，不能滿足實用要求。為此，人們研制了利用功能材料構成的各類新型電機，如記憶合金電機、壓電效應電機、電致伸縮電機和磁致伸縮電機等。其中，壓電、電致伸縮和磁致伸縮電機反應速度較快，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)電機輸出位移大，同時有較高的功率一重量比，具有廣闊的應用前景。
sma電機的結(jié)構、原理及運行控制方式均與傳統(tǒng)電機不同。它是利用sma材料的獨特的形狀記憶效應(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，構成雙程可逆致動元件，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。
1 sma與sme
有一種特殊的金屬材料，經(jīng)適當?shù)臒崽幚砗蠹淳哂谢貜托螤畹哪芰Γ@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。通常，sma枉低溫時產(chǎn)生塑性變形，溫度升高后，克服塑性變形回復到所記憶的形狀。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)生較大回復應變和較大形狀回復力的，才有利用價值。到目前為止，應用最多的是ni- ti合金和銅基合金(cuznai和 cuaini)。從合金相變的角度來看，sme的實質(zhì)是sma內(nèi)部的熱彈性馬氏體相變，當母相過冷到馬氏體相與母相化學自由能平衡溫度丁。以下適當溫度 m.時，馬氏體將長大，直到熱化學自由能和彈性非化學自由能兩者之差最小時，馬氏體的生長過程才告結(jié)束。同樣，只有當馬氏體過熱到to以上溫度a。時，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)實了相變特性及相變循環(huán)中的關關鍵點，其中m、mr為馬氏體相變的開始和結(jié)束時的溫度，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能夠完全恢復的形變量可達百分之6～8（遠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研究與應用中的若干新發(fā)展楊凱辜承林復時會產(chǎn)生很大的回復力(有的高達200mpa)且機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力一應變曲線。馬氏體在較低的應力下就能產(chǎn)生塑性變形，而高溫奧氏體具有很高的屈服應力。虛線表明，去除應力的馬氏體經(jīng)加熱后轉(zhuǎn)化為奧氏體，回復到它所記憶的形狀，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，如果要得到往返運動，必須人為地使sma在低溫時產(chǎn)生塑性形變，所以實際應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械訓練，也能具有雙程的sme，即加熱和冷卻時都產(chǎn)生形狀的變化。但與單程的sme相比，雙程sme所產(chǎn)生的回復應變和形狀回復力都要小一些。
2基本結(jié)構和工作原理
sma電機由驅(qū)動元件和執(zhí)行機構兩部分組成。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 |
