[发明专利]双程形状记忆自组装齿轮的复合结构及其实现方法

说明书

技术领域

本发明属于微机械制造技术领域，涉及一种可实现双程形状记忆功能的聚合物复合结构及自组装齿轮实现方法。

背景技术

形状记忆聚合物是继形状记忆合金和陶瓷之后人类发现的又一类新型形状记忆功能材料。其一般为两相结构，即由记忆初始形状的固定相和随温度发生改变的可逆相组成。使用中一般首先在可逆相软化温度以上对已具有一定初始构形的材料施加约束，使其达到预期形变，然后降温至可逆相临界软化温度以下，可逆相冻结，此时即使外力去除材料仍能基本保持这种“临时”变形状态；当再次升温至材料软化温度以上时，内部冻结解除，在内应力作用下材料又回复到初始变形前状态。至此，完成了“记忆初始态→固定变形态→回复初始态”的热力学循环过程。

该类功能材料具有制造成本低、易生产、形状转变温度可调、部分具有生物降解性等诸多优点，在生物医疗、航天科技及微电子等领域具有重要应用前景。但通常形状记忆聚合物只具有单程形状记忆功能，即只可以实现从形状固定态到初始态的单向变化，无法实现可逆转变。本申请专利“双程形状记忆自组装齿轮”可以实现光滑圆柱体和齿轮状结构的双向可逆变化，而且通过控制其热力学过程和结构性能，可以实现齿轮参数的连续变化和异形结构齿轮的自组装生成，无需机械加工，这在未来微机械制造领域具有重要应用前景。

发明内容

本发明提出一种双程形状记忆齿轮的自组装生成方法，无需机械加工。该复合结构通过特定热力学过程，可实现光滑圆柱体和齿轮结构的双向自组装形状转变。该自组装齿轮具有双程形状记忆功能、齿轮参数连续可调等特征。

一种可实现双程形状记忆自组装齿轮的复合结构，该复合结构是由内层的形状记忆聚合物芯体和外层的形状记忆聚合物薄膜构成，形状记忆聚合物芯体和形状记忆聚合物薄膜的形状记忆转变温度分别为T_g1和T_g2，且T_g1＜T_g2。该复合结构初始外形为光滑的圆柱体或圆台。

所述复合结构实现双程形状记忆自组装齿轮的方法，该方法包括步骤如下：

1)在环境温度T＞T_g2条件下，对该复合结构施加初始轴向压缩变形；

2)保持该变形，降温至T＜T_g1，实现初始变形的形状冻结，然后去除施加的外力；

3)加热至T_g1＜T＜T_g2，形状记忆聚合物芯体恢复变形，外层形状记忆聚合物薄膜受压屈曲，形成齿轮状结构；

4)加热至T＞T_g2，外层形状记忆聚合物薄膜也发生形状恢复变形，该复合结构重新恢复至初始光滑外形，从而实现结构完成“光滑结构→齿轮状结构→光滑结构”的双向可逆形状转变；

通过改变改变芯体和外层薄膜的几何和物理(例如模量比、泊松比)参数比值调节其齿轮参数；圆台芯体结构可实现异形齿轮结构生成。

形状记忆聚合物转变温度一般在室温至100℃左右，并可通过改变材料交联密度进行调节，从而利用该复合结构满足工程实际需要。

本发明的有益效果：

1、在微机械制造领域，往往很难采用传统机械方法制造微小齿轮，特别是齿距很密的微小深齿轮，以及一些异形齿轮结构(如齿距连续变化、螺旋斜齿轮等)。本发明提出一种机械自组装方法，无需机械加工，结构可自动形成光滑结构——复杂齿轮结构的双向可逆转变，这在微机械领域具有重要意义。

2、传统形状记忆聚合物只具有单向形状记忆功能，本发明介绍一种物理复合方法，可实现双程形状记忆功能，这对促进形状记忆聚合物作为传感和激励元件的更广泛应用具有促进意义。

附图说明

图1双程形状记忆自组装直齿轮变形过程示意图。

图2齿轮幅值与温度之间的关系：I、III阶段为光滑圆柱体，II阶段为齿轮状结构。

图3双程形状记忆自组装斜齿轮变形过程示意图。

具体实施方式

以附图为实施方式对本发明作进一步说明：

实施例1