电激励镍钛记忆合金试验台的开发

　　记忆合金材料近年来在生物、医学、机械等诸多领域得到广泛研究和应用。目前,记忆合金种类很多,主要可分为镍钛记忆合金、铜系记忆合金和铁系记忆合金三大系,其中镍钛记忆合金是目前研究和应用最广的形状记忆合金,该材料具有良好的形状记忆效应和超弹性,并且耐腐蚀,与生物相容。对于镍钛记忆合金的研究以往主要集中在材料领域,而由于记忆合金材料的特性使得其作为传感器以及主动变形结构中的执行器在包括汽车工业等众多领域中也有着广泛的前景,因此,有必要对镍钛记忆合金在相变过程中的力学、电学、热力学特性进行广泛和深入的研究。

　　德国工程师协会规范是由德国科学研究领域和工业界相关学科的专家共同制定的工程师规范,其中VDI—2221是特别针对科技产品开发设计方法的规范。本研究按照此规范和流程设计了试验台。

　　1　记忆合金材料

　　1. 1　形状记忆效应

　　镍钛记忆合金材料的记忆效应根据相变机理的不同主要分热弹性马氏体相变和应力诱导马氏体相变2种。热弹性马氏体相变发生在记忆合金冷却、加热和变形过程中,诱发变形的激励是温度的变化,导致记忆合金材料在马氏体和奥氏体之间转化从而产生“记忆效应”。而应力诱导马氏体相变从而产生的记忆效应又被称为伪弹性(超弹性),即应力作用于记忆合金(高于某诱发温度)时,记忆合金中形成应力弹性马氏体,同时合金材料发生形变,而当应力消失后应变也随之消失。

　　1. 2　记忆合金的结构造型

　　由于镍钛记忆合金材料的造型多种多样,几乎没有限制,所以以记忆合金为材料开发的传感器、执行器也可以实现多种造型。变形方式可分为旋转和平移2种。镍钛记忆合金传感器、执行器的半成品有如下五大造型:线型、柱型、管型、条型和弹簧造型[1-2],如图1所示。

　　相对其他结构,线型的记忆合金材料结构有较高的弹性,工作路径较长,可以按照需要任意转向和弯曲,并且既可以实现平移又可以实现旋转变形。本试验台的开发即针对线型记忆合金传感器、执行器。

　　1. 3　合金材料和试验台的布置

　　线型记忆合金材料在试验台中的布置方式以及整个试验台的布置方式主要可分为水平和垂直2种,相应的优缺点分析结果如表1所示。波鸿大学机械元件与产品开发教席08年已经为研究记忆合金材料开发了一套水平布置的试验台。为了进一步研究镍钛合金材料在不同布置方式、不同激励下的记忆效应,新的试验台采用垂直布置。由于计划采用电流激活合金材料,并且通过表1所示的分析可知,摩擦对试验精度的影响将被有效降低至可忽略的水平,并且垂直布置也为试验材料和力传感器的布置提供了很大的自由。通过垂直试验台的试验结果与原先的水平布置试验台的结果相对比,也可以进一步分析2种布置方式的优缺点,为进一步的工作提供指导。