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    國外形狀記憶合金先進研究成果

    發布日期:2019-10-09

    形狀記憶合金(Shape memory alloy,SMA)是一種新型的智能材料,其特性為在特定溫度下可以恢複原始形態,一般而言這種特性的發生環境為高溫,其所具有的超彈性效應、高電阻特性、在不同的溫度下具有的彈性模量可變性和自我恢複功能是一般金屬材料不能實現的。隨著科學技術的不斷創新,這種類型的合金在材料領域地位也不斷上升,科研人員的努力探索也使得形狀記憶合金的發展更具有現實意義。

    超彈性輪胎

    NASA格倫研究中心自20世紀80年代以來就開始在太空技術中應用形狀記憶合金,包括NASA的探路者火星探索器。在大多數情況下,它們用於一次性天線或貨物部署、拔釘器或其他一次性的設備。而航空標準則要嚴格得多,設備必須執行數百萬次循環。

     

    NASA格倫SMA團隊開發了一種非充氣的輪胎。這種超彈性輪胎本是為未來的月球和火星任務而開發的,但它是目前地球上充氣輪胎的可行替代品。這項技術是受到阿波羅登月輪胎的啟發,使用高應變的形狀記憶合金作為承載部件而不是典型的彈性材料,這導致輪胎能夠承受過度變形而沒有永久性損壞。

     

    使用形狀記憶合金作為徑向加強元件也可以增加輪胎的承載能力。超彈性輪胎提供與傳統充氣輪胎相同或更高的牽引力,消除了被刺穿或“充氣不足”的情況,從而提高了汽車的燃油效率和安全性。而且,該輪胎設計不需要內框架,其既簡化又減輕了輪胎/車輪組件的重量。

     

    該輪胎目前已經可以投入使用

     

    NASA格倫SMA團隊的這項創新輪胎利用形狀記憶合金(主要是NiTi及其衍生物)作為承載部件。這些形狀記憶合金能夠承受顯著的可逆應變(高達10%),使得輪胎在經曆永久變形之前能夠承受比其他非充氣輪胎更大的變形量。

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    在NASA格倫研究中心測試中的形狀記憶合金輪胎

    通常使用的彈性塑料材料(例如彈簧鋼,複合材料等)在屈服之前隻能承受約0.3-0.5%的應變。因此,使用NiTi形狀記憶合金產生超彈性輪胎,該輪胎幾乎不受塑性變形的影響。此外,形狀記憶合金的使用提供了對作為變形函數的有效剛度的增強控製,提供增強的設計多功能性。例如,可以使Glenn超彈性輪胎隨著偏轉增加而變軟,從而減少在高變形事件期間傳遞到車輛的能量。此外,與彈簧相反,使用徑向加強件形式的形狀記憶合金提供了更大的承載潛力和改進的設計靈活性。這種類型的柔性輪胎將允許在越野應用中增加行駛速度。

     

    變形機翼

    傳統的飛機技術會有很多活動部件,執行器、電纜、電機、潤滑劑、液壓齒輪和其他所需的螺釘都會使這些部件在任何飛機上占據重量和寶貴的空間資源。

     

    NASA格倫研究中心的工程師則通過形狀記憶合金來製造變形機翼。由形狀記憶合金製成的零件通常是傳統零件尺寸和重量的10%到20%,飛機製造商、研究人員和NASA等政府機構可以使用這些金屬來做更多的工作,而不僅僅是減少燃料費用。形狀記憶合金也可以用於將運動部件添加到平麵上,使用傳統的機械裝置在尺寸和重量上往往太過冗餘。溫度激活的折疊式機翼將允許航空母艦在甲板上塞入更多的戰鬥機。這項技術甚至可以平息聲波轟鳴聲,為協和式超音速客機的複興打開大門。

     

    NASA格倫研究中心的工程師Benafan使用長而空心的鎳鈦合金管替換各種可動翼部件的鉸鏈。這些SMA管執行器能夠將300磅重的機翼向上或向下移動180度,這為飛行員提供了另一種在湍流撞擊時保持穩定的工具。之後Benafan開始在掏空的F/A-18戰鬥機機翼內安裝形狀記憶管,這是對鎳鈦合金動力翼在不同飛行條件下的表現進行長期測試的一部分。

     

    波音公司的工程師Jim Mabe和他的同事發明了一種降低渦輪發動機噪音的係統。它被稱為可變幾何形狀的“V”,它基本上是一個巨大的額外整流罩,可以安裝在渦輪機的外部排氣口周圍,就是那個整流罩的尾端鋸齒形,每個V都用厚厚的形狀記憶合金條帶螺栓固定。加熱時,形狀記憶合金會彎曲,這些V的尖端會浸入廢氣流中,為熱空氣增加恰當的湍流量以減少噪音。對形狀記憶合金的加熱越多,其彎曲的越多,所以當處於不同的空氣條件下時,可以在V中設置更多的角度。

     

    可折疊機翼

    NASA格倫研究中心、NASA阿姆斯特朗飛行研究中心和波音公司的工程師們成功地使用形狀記憶合金(SMA)來移動F/A-18大黃蜂戰鬥機的全尺寸機翼部分。

     

    工程師們拆除了原本F/A-18上舊的136公斤重的機翼部分,使該團隊能夠可以使用新開發的鎳-鈦-鉿材料機翼折疊整個機翼部分。該團隊開發出的新型鎳鈦鉿高溫SMA扭矩管執行器,能夠施加564Nm的扭矩。

     

    從水平位置開始,SMA執行器根據指令進行電加熱和冷卻,使機翼上下移動90°。研究人員還能夠將機翼部分精確地移動到掃描中的任何選定位置。

     

    到目前為止,SMA執行器已經在遠程控製的原型技術——評估研究飛機(PTERA)上進行了測試,但現在NASA正在通過在F/A-18大黃蜂的機翼部分安裝SMA執行器來進一步采取措施。在測試期間,執行器不僅能夠將機翼向上和向下折疊90度,而且能夠非常精確地控製。它通過折疊機動進行管理,用於將戰鬥機停放在航空母艦上,並將其折疊起來,因為飛機將在模擬實際飛行載荷的條件下飛行。

     

    這次成功的測試是Spanwise自適應翼項目的一個裏程碑,該項目正在研究飛機機翼的飛行彎曲或成形部分。形成機翼的能力可以通過減少重量和阻力來提高飛機性能,同時改善飛機控製。

     

    NASA將在後續繼續測試F/A-18機翼上的SMA執行器,目的是將扭矩能力提高到2260N,並應用於機翼部分的前緣和後緣。這項研究是NASA的Spanwise自適應機翼項目的一部分,該項目正在研究機上適應性機翼如何提高飛機的效率和控製能力。

     

    無製冷劑製冷係統

    德國的一個研究團隊開發出了一種先進的加熱/冷卻係統原型,該係統可以通過壓縮和卸載鎳鈦“肌肉線條”來加熱和冷卻空氣,其效率是熱泵效率的兩倍或者是空調效率的三倍。該設備不使用製冷劑氣體,這意味著它是一種更加環保的加熱或冷卻空間的方式。

     

    該裝置基於某些形狀記憶金屬合金的特殊性質,在某些情況下,特別是鎳鈦合金,這些金屬在彎曲變形時會吸收大量的熱量,然後在允許它們恢複正常形狀時釋放熱量,負載線和釋放線之間的差異可高達20℃。因此這種冷卻裝置在概念上非常簡單,它使用覆蓋鎳鈦諾線束的旋轉圓筒。電線在通過一側時被加載,從空氣中吸出熱量並將其存儲起來。然後當它們旋轉經過另一側時,它們被允許彈回形狀,將熱量傾倒在第二側。空氣吹過每側的腔室,一側加熱空氣和另一側冷卻空氣。

     

    德國薩爾州大學的研究小組一直在試驗這種裝置,以確定導線負載、轉速以及應該捆綁多少導線達到最佳收斂,從而在給定的能量輸入下創建兩側之間最大可能的熱差。最終薩爾大學的團隊聲稱係統的加熱或冷卻功率比裝載和卸載合金線束所需的機械功率高出三十倍,具體取決於所用合金的類型。他們說,這使得他們的新係統的效率是傳統熱泵的兩倍,是傳統冰箱的三倍。

     

    這種新技術也是環保的,不會對氣候造成危害,因為傳熱機製不使用液體或蒸汽,因此,空調係統中的空氣可以直接冷卻而無需中間換熱器,也不必使用無泄漏的高壓管道。並且鎳鈦合金是迄今為止高振幅應變控製疲勞環境中已知的最具抗性的金屬,因此理論上無需擔心其金屬疲勞問題,不過這還需要後續的商業應用來進行實際評估。

     

    微型機器人動力

    形狀記憶合金具有“記住”它們形狀的能力,這意味著它們可以變形,然後在加熱時恢複到它們之前的形狀。然而,現有的形狀記憶合金通常僅能夠從一種形狀改變為另一種形狀,或者響應於一種特定的溫度變化。通過開發功能梯度形狀記憶合金,一組英國研究人員希望在材料的不同點修改這些特性。以這種方式,材料可以響應於裝置上的各個點處的不同溫度而改變其形狀。

     

    英國Heriot-Watt大學的Duncan Hand教授正在開發一種新型合金,以應用於更複雜和可控製的微型機器人。為了生產這種先進的材料,研究人員正在開發一種稱為功能分級激光誘導正向轉移(FG-LIFT)的新技術。

     

    該技術使用脈衝激光將層疊在透明聚合物上的金屬薄膜如鎳、鈦或銅沉積在基板上。因此這種技術可以像老式的打字機色帶一樣,將各種金屬薄膜一層層地打印到[接收器]基板上,所以可能會放下三層鈦,四層鎳和一層銅。通過這種方式,該過程可以構建三維元素,該團隊將其描述為體素,由不同金屬層組成。然後可以對材料進行熱處理,以仔細控製每個體素中金屬層之間的擴散過程,使研究人員能夠精確控製材料的成分。

     

    通過將體素添加到一起,研究人員可以構建在材料的特定點處具有不同屬性的3D微結構。因此,該設備的某些部件可能是形狀記憶合金,有些部件不會產生這種影響,有些部件將采用不同溫度下運行的形狀記憶合金。

     

    水母機器人

    印度機電一體化儀器實驗室IITIndore的一個團隊開發了一種基於形狀記憶合金聚合物的軟機器人水母,用於使用智能和柔軟材料進行無噪聲海洋生物監測。軟機器人技術是機器人技術領域的一種新興多米動力,SMA可以作為柔性執行器技術的合適選擇,以模仿生物體的姿態。它是一種智能材料,可以從誘導變形中恢複,並在加熱時恢複其記憶形狀。

     

    該團隊已在實驗室環境中對開發的機器人進行了測試,並實現了1cm/s的運動。該裝置使用基於SMA彈簧的機構來模擬魚尾後翅的顫動,從而產生推動機器人魚的推進力。開發這種軟機器人的好處是它們允許無噪音驅動和簡單靈活的設計,從而消耗更少的製造時間。基於SMA線的聚合物結構的連續加熱和冷卻負責其身體的觸角膨脹和收縮,其產生推力以使水母機器人在水中移動。

     

    柔軟和智能材料的結合使其能夠模仿和創造靈活的結構和複雜的運動,如真正的水下生物。這些機器人可以用於許多應用,例如通過一些高度智能化的水下相機進行水下生物或珊瑚礁研究,或者一些來自水下的間諜行為,以避免通過水資源產生的不必要的威脅。

     

    形狀記憶合金軸承

    NASA的摩擦學和旋轉機械專家Christopher DellaCorte在嚐試使用鎳鈦合金製造球形軸承,因為傳統的滾珠軸承在極端環境下,特別是在航空航天飛行時,容易生鏽和凹陷。但鎳鈦合金與傳統軸承鋼不同,鎳鈦合金由鎳和鈦組合而成,通常與其他金屬結合。最常見的合金是Nitinol 55,一種眾所周知的形狀記憶合金(SMA)。SMA是高彈性材料,可以扭曲和彎曲,但仍然可以恢複其原始形狀。

     

    DellaCorte最初對測試任何Nitinol材料作為滾珠軸承持懷疑態度。因為這種尺寸不穩定的材料很難產生良好的軸承,因為軸承需要有精確的尺寸,並且不會隨著時間而改變。精密的航空航天和商用飛行儀器保持尺寸穩定性至關重要,鎳鈦合金不能確定能夠滿足這一要求。它也必須是非磁性的,非常堅硬並且能夠承受重摩擦——所有這些都會損害飛行能力。而測試使用的合金版本名為Nitinol 60,它非常穩定並且可以通過仔細的熱處理使其變硬。DellaCorte和來自NASA格倫研究中心和雅培球公司的技術專家團隊決定對其進行測試。

     

    最終他們得到了高質量的Nitinol軸承球,其工作原理與超硬橡膠類似。這種新型球軸承的一種商業應用是用於機翼部件,因為這種金屬不受用於在低溫下處理飛機的腐蝕性除冰劑的影響。該團隊目前還在對這種軸承進行進一步的測試。

     

    總結

     

    形狀記憶合金高端產品應用主要集中在航空航天領域,而我國目前的形狀記憶合金應用還主要集中在醫療器械領域,其他領域雖有少量應用,但整體上講還沒有打開市場,因此,我國未來在形狀記憶合金的應用發展方麵可以更多關注航空航天、機器人動力等先進領域。

     

    1主要參考文獻:

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