[发明专利]灵敏记忆合金控制

说明书

发明领域

本发明涉及形状记忆合金材料，且特别涉及形状记忆合金线材。

发明背景

形状记忆合金已为人们所知，而且通常主要或全部由钛和镍制成。这些合 金还可以包括其他材料，比如铝、锌和铜。形状记忆材料能在低于预定转变温 度(马氏体)下采取一种形状，而一旦其温度超过转变温度(奥氏体)就会变为第 二种形状。相反地，当形状记忆合金冷却至低于转变温度时，它能够再次采取 第一种形状。与本发明的各个方面相关，形状记忆合金受热时原位收缩。形状 记忆合金线材目前可得到利用，比如以Nitinol为名出售的形状记忆合金线材， 其当受热活化时可以收缩约3％。

形状记忆合金(SMA)如Nitinol的活化优选通过电阻加热实现。

已知形状记忆合金线材表现出大量行为特征，这些行为特性可影响线材的 性能和寿命。

发明目的

本发明的目的是最大化SMA的性能和SMA的寿命。

发明内容

已注意到疲劳对性能和寿命有影响。已观察到在反复循环应用中使用的 SMA元件的寿命与峰值SMA应力密切相关，相应地这应包含在避免过早失效的限 制内。寿命还受加工回复应变的影响。应变可被认为是在活化时SMA线材长度 的变化，将该长度变化除以线材的正常长度，以百分比表示。应变百分比越大， 对线材的影响越有害，线材的寿命也将越短。最小化SMA的应力和应变可导致 SMA工作寿命的增加。

已经注意到加热SMA线材以引起奥氏体至马氏体转变的最高温度应限制于 一个安全工作极限内以避免SMA工作寿命的劣化。

应考虑到电压。可以为SMA元件提供一定范围的供应电压(supply voltage)。例如，飞机和汽车设备通常在供应电压方面经受20％或更大的变化， 这可能在具有固定的外加电压的SMA元件中导致45％或更高的能量变化。理想 地，为了优化运行以确保一致的功率输送而不管电源(power supply)电压水 平如何，应补偿供应电压的变化。据认为通过测量供应电压和调节SMA功率输 送，例如通过使用脉冲宽度调制(pwm)控制，可在宽的供应电压变动范围上提供 一致的功率输送。

需要考虑环境温度。如上所述，从马氏体(冷、长)到奥氏体(热、短)状态 的转变是通过加热SMA元件至临界转变温度比如90℃实现的。典型通过使电流 通过SMA元件来进行加热。对于给定的功率输送等级(rate)，SMA元件的温度 升至临界转变温度所需要的时间将依赖于开始或环境的温度。例如，如果温度 相对低，那么就需要将较大量的能量输送给形状记忆合金线材以将其加热到所 需温度。相反地，如果温度高，输送给形状记忆合金线材以使其收缩的能量值 将较小。为实现一致的运行，输送给SMA元件的功率和能量应依照SMA开始温 度进行调节，该开始温度与SMA元件附近的环境温度接近。

另一个需考虑的因素是老化。在反复循环中使用时，SMA元件的特性可能 随循环数增加而改变。特别地，奥氏体(热)状态的长度可能随着循环数的增加 而减小，典型在大应力下经过几万个循环之后减少0.5到1.0％。另外，实现马 氏体至奥氏体转变所需的能量和/或温度的增加量可能随着循环数增加，冷却后 将SMA元件偏置到伸展长度的马氏体状态所需的力可能也是如此。

在优选实施方案中，本发明的紧固系统也可以包括温度传感器用以感应形 状记忆合金线材的温度。根据感应的温度可以调节施加给形状记忆合金线材的 能量值以考虑到变化的条件。在这方面，温度传感器能够实现反馈并引起功率 输送的调节。

本发明中，考虑到某些或(可选地)所有这些因素。相应地，本发明提供了 时加热到临界温度时适合于收缩的材料的性能和/或寿命进行改良的方法，该方 法包括以下步骤：

i.活化前测量环境温度；

ii.测量施加到材料的电压和/或材料中流过的电流；

iii.计算加热材料从环境温度到临界温度所需的功率和能量；和

iv.提供所计算的功率和能量。

优选地，活化时适于收缩的材料是SMA线材。优选地，在SMA活化前测量 SMA元件附近的环境温度，并且使用该环境温度和临界温度间的差值来计算在特 定活化时间内升高SMA温度至临界温度所需要输送的功率和能量。

可以按任何适宜的方式测量环境温度。