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在線(xiàn)客服 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復(fù)原始形態(tài)，一般而言這種特性的發(fā)生環(huán)境為高溫，其所具有的超彈性效應(yīng)、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復(fù)功能是一般金屬材料不能實(shí)現(xiàn)的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，這種類(lèi)型的合金在材料領(lǐng)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(fā)展更具有現(xiàn)實(shí)意義。
超彈性輪胎
NASA格倫研究中心自20世紀(jì)80年代以來(lái)就開(kāi)始在太空技術(shù)中應(yīng)用形狀記憶合金，包括NASA的探路者火星探索器。在大多數(shù)情況下，它們用于一次性天線(xiàn)或貨物部署、拔釘器或其他一次性的設(shè)備。而航空標(biāo)準(zhǔn)則要嚴(yán)格得多，設(shè)備必須執(zhí)行數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)。
NASA格倫SMA團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種非充氣的輪胎。這種超彈性輪胎本是為未來(lái)的月球和火星任務(wù)而開(kāi)發(fā)的，但它是目前地球上充氣輪胎的可行替代品。這項(xiàng)技術(shù)是受到阿波羅登月輪胎的啟發(fā)，使用高應(yīng)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(dǎo)致輪胎能夠承受過(guò)度變形而沒(méi)有永久性損壞。
使用形狀記憶合金作為徑向加強(qiáng)元件也可以增加輪胎的承載能力。超彈性輪胎提供與傳統(tǒng)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(chē)的燃油效率和安全性。而且，該輪胎設(shè)計(jì)不需要內(nèi)框架，其既簡(jiǎn)化又減輕了輪胎/車(chē)輪組件的重量。
該輪胎目前已經(jīng)可以投入使用
NASA格倫SMA團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)創(chuàng)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(yīng)變（高達(dá)10%），使得輪胎在經(jīng)歷永久變形之前能夠承受比其他非充氣輪胎更大的變形量。
在NASA格倫研究中心測(cè)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，復(fù)合材料等）在屈服之前只能承受約0.3-0.5%的應(yīng)變。因此，使用NiTi形狀記憶合金產(chǎn)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(duì)作為變形函數(shù)的有效剛度的增強(qiáng)控制，提供增強(qiáng)的設(shè)計(jì)多功能性。例如，可以使Glenn超彈性輪胎隨著偏轉(zhuǎn)增加而變軟，從而減少在高變形事件期間傳遞到車(chē)輛的能量。此外，與彈簧相反，使用徑向加強(qiáng)件形式的形狀記憶合金提供了更大的承載潛力和改進(jìn)的設(shè)計(jì)靈活性。這種類(lèi)型的柔性輪胎將允許在越野應(yīng)用中增加行駛速度。
變形機(jī)翼
傳統(tǒng)的飛機(jī)技術(shù)會(huì)有很多活動(dòng)部件，執(zhí)行器、電纜、電機(jī)、潤(rùn)滑劑、液壓齒輪和其他所需的螺釘都會(huì)使這些部件在任何飛機(jī)上占據(jù)重量和寶貴的空間資源。
NASA格倫研究中心的工程師則通過(guò)形狀記憶合金來(lái)制造變形機(jī)翼。由形狀記憶合金制成的零件通常是傳統(tǒng)零件尺寸和重量的10%到20%，飛機(jī)制造商、研究人員和NASA等政府機(jī)構(gòu)可以使用這些金屬來(lái)做更多的工作，而不僅僅是減少燃料費(fèi)用。形狀記憶合金也可以用于將運(yùn)動(dòng)部件添加到平面上，使用傳統(tǒng)的機(jī)械裝置在尺寸和重量上往往太過(guò)冗余。溫度激活的折疊式機(jī)翼將允許航空母艦在甲板上塞入更多的戰(zhàn)斗機(jī)。這項(xiàng)技術(shù)甚至可以平息聲波轟鳴聲，為協(xié)和式超音速客機(jī)的復(fù)興打開(kāi)大門(mén)。
NASA格倫研究中心的工程師Benafan使用長(zhǎng)而空心的鎳鈦合金管替換各種可動(dòng)翼部件的鉸鏈。這些SMA管執(zhí)行器能夠?qū)?00磅重的機(jī)翼向上或向下移動(dòng)180度，這為飛行員提供了另一種在湍流撞擊時(shí)保持穩(wěn)定的工具。之后Benafan開(kāi)始在掏空的F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼內(nèi)安裝形狀記憶管，這是對(duì)鎳鈦合金動(dòng)力翼在不同飛行條件下的表現(xiàn)進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試的一部分。
波音公司的工程師Jim Mabe和他的同事發(fā)明了一種降低渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的系統(tǒng)。它被稱(chēng)為可變幾何形狀的“V”，它基本上是一個(gè)巨大的額外整流罩，可以安裝在渦輪機(jī)的外部排氣口周?chē)?，就是那個(gè)整流罩的尾端鋸齒形，每個(gè)V都用厚厚的形狀記憶合金條帶螺栓固定。加熱時(shí)，形狀記憶合金會(huì)彎曲，這些V的尖端會(huì)浸入廢氣流中，為熱空氣增加恰當(dāng)?shù)耐牧髁恳詼p少噪音。對(duì)形狀記憶合金的加熱越多，其彎曲的越多，所以當(dāng)處于不同的空氣條件下時(shí)，可以在V中設(shè)置更多的角度。
可折疊機(jī)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(lái)移動(dòng)F/A-18大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)的全尺寸機(jī)翼部分。
工程師們拆除了原本F/A-18上舊的136公斤重的機(jī)翼部分，使該團(tuán)隊(duì)能夠可以使用新開(kāi)發(fā)的鎳-鈦-鉿材料機(jī)翼折疊整個(gè)機(jī)翼部分。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的新型鎳鈦鉿高溫SMA扭矩管執(zhí)行器，能夠施加564Nm的扭矩。
從水平位置開(kāi)始，SMA執(zhí)行器根據(jù)指令進(jìn)行電加熱和冷卻，使機(jī)翼上下移動(dòng)90°。研究人員還能夠?qū)C(jī)翼部分精確地移動(dòng)到掃描中的任何選定位置。
到目前為止，SMA執(zhí)行器已經(jīng)在遠(yuǎn)程控制的原型技術(shù)——評(píng)估研究飛機(jī)（PTERA）上進(jìn)行了測(cè)試，但現(xiàn)在NASA正在通過(guò)在F/A-18大黃蜂的機(jī)翼部分安裝SMA執(zhí)行器來(lái)進(jìn)一步采取措施。在測(cè)試期間，執(zhí)行器不僅能夠?qū)C(jī)翼向上和向下折疊90度，而且能夠非常精確地控制。它通過(guò)折疊機(jī)動(dòng)進(jìn)行管理，用于將戰(zhàn)斗機(jī)停放在航空母艦上，并將其折疊起來(lái)，因?yàn)轱w機(jī)將在模擬實(shí)際飛行載荷的條件下飛行。
這次成功的測(cè)試是Spanwise自適應(yīng)翼項(xiàng)目的一個(gè)里程碑，該項(xiàng)目正在研究飛機(jī)機(jī)翼的飛行彎曲或成形部分。形成機(jī)翼的能力可以通過(guò)減少重量和阻力來(lái)提高飛機(jī)性能，同時(shí)改善飛機(jī)控制。
NASA將在后續(xù)繼續(xù)測(cè)試F/A-18機(jī)翼上的SMA執(zhí)行器，目的是將扭矩能力提高到2260N，并應(yīng)用于機(jī)翼部分的前緣和后緣。這項(xiàng)研究是NASA的Spanwise自適應(yīng)機(jī)翼項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目正在研究機(jī)上適應(yīng)性機(jī)翼如何提高飛機(jī)的效率和控制能力。
無(wú)制冷劑制冷系統(tǒng)
德國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種先進(jìn)的加熱/冷卻系統(tǒng)原型，該系統(tǒng)可以通過(guò)壓縮和卸載鎳鈦“肌肉線(xiàn)條”來(lái)加熱和冷卻空氣，其效率是熱泵效率的兩倍或者是空調(diào)效率的三倍。該設(shè)備不使用制冷劑氣體，這意味著它是一種更加環(huán)保的加熱或冷卻空間的方式。
該裝置基于某些形狀記憶金屬合金的特殊性質(zhì)，在某些情況下，特別是鎳鈦合金，這些金屬在彎曲變形時(shí)會(huì)吸收大量的熱量，然后在允許它們恢復(fù)正常形狀時(shí)釋放熱量，負(fù)載線(xiàn)和釋放線(xiàn)之間的差異可高達(dá)20℃。因此這種冷卻裝置在概念上非常簡(jiǎn)單，它使用覆蓋鎳鈦諾線(xiàn)束的旋轉(zhuǎn)圓筒。電線(xiàn)在通過(guò)一側(cè)時(shí)被加載，從空氣中吸出熱量并將其存儲(chǔ)起來(lái)。然后當(dāng)它們旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)另一側(cè)時(shí)，它們被允許彈回形狀，將熱量?jī)A倒在第二側(cè)?？諝獯颠^(guò)每側(cè)的腔室，一側(cè)加熱空氣和另一側(cè)冷卻空氣。
德國(guó)薩爾州大學(xué)的研究小組一直在試驗(yàn)這種裝置，以確定導(dǎo)線(xiàn)負(fù)載、轉(zhuǎn)速以及應(yīng)該捆綁多少導(dǎo)線(xiàn)達(dá)到最佳收斂，從而在給定的能量輸入下創(chuàng)建兩側(cè)之間最大可能的熱差。最終薩爾大學(xué)的團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)系統(tǒng)的加熱或冷卻功率比裝載和卸載合金線(xiàn)束所需的機(jī)械功率高出三十倍，具體取決于所用合金的類(lèi)型。他們說(shuō)，這使得他們的新系統(tǒng)的效率是傳統(tǒng)熱泵的兩倍，是傳統(tǒng)冰箱的三倍。
這種新技術(shù)也是環(huán)保的，不會(huì)對(duì)氣候造成危害，因?yàn)閭鳠釞C(jī)制不使用液體或蒸汽，因此，空調(diào)系統(tǒng)中的空氣可以直接冷卻而無(wú)需中間換熱器，也不必使用無(wú)泄漏的高壓管道。并且鎳鈦合金是迄今為止高振幅應(yīng)變控制疲勞環(huán)境中已知的最具抗性的金屬，因此理論上無(wú)需擔(dān)心其金屬疲勞問(wèn)題，不過(guò)這還需要后續(xù)的商業(yè)應(yīng)用來(lái)進(jìn)行實(shí)際評(píng)估。
微型機(jī)器人動(dòng)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，然后在加熱時(shí)恢復(fù)到它們之前的形狀。然而，現(xiàn)有的形狀記憶合金通常僅能夠從一種形狀改變?yōu)榱硪环N形狀，或者響應(yīng)于一種特定的溫度變化。通過(guò)開(kāi)發(fā)功能梯度形狀記憶合金，一組英國(guó)研究人員希望在材料的不同點(diǎn)修改這些特性。以這種方式，材料可以響應(yīng)于裝置上的各個(gè)點(diǎn)處的不同溫度而改變其形狀。
英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)的Duncan Hand教授正在開(kāi)發(fā)一種新型合金，以應(yīng)用于更復(fù)雜和可控制的微型機(jī)器人。為了生產(chǎn)這種先進(jìn)的材料，研究人員正在開(kāi)發(fā)一種稱(chēng)為功能分級(jí)激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移（FG-LIFT）的新技術(shù)。
該技術(shù)使用脈沖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(shù)可以像老式的打字機(jī)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(huì)放下三層鈦，四層鎳和一層銅。通過(guò)這種方式，該過(guò)程可以構(gòu)建三維元素，該團(tuán)隊(duì)將其描述為體素，由不同金屬層組成。然后可以對(duì)材料進(jìn)行熱處理，以仔細(xì)控制每個(gè)體素中金屬層之間的擴(kuò)散過(guò)程，使研究人員能夠精確控制材料的成分。
通過(guò)將體素添加到一起，研究人員可以構(gòu)建在材料的特定點(diǎn)處具有不同屬性的3D微結(jié)構(gòu)。因此，該設(shè)備的某些部件可能是形狀記憶合金，有些部件不會(huì)產(chǎn)生這種影響，有些部件將采用不同溫度下運(yùn)行的形狀記憶合金。
水母機(jī)器人
印度機(jī)電一體化儀器實(shí)驗(yàn)室IITIndore的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于形狀記憶合金聚合物的軟機(jī)器人水母，用于使用智能和柔軟材料進(jìn)行無(wú)噪聲海洋生物監(jiān)測(cè)。軟機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一種新興多米動(dòng)力，SMA可以作為柔性執(zhí)行器技術(shù)的合適選擇，以模仿生物體的姿態(tài)。它是一種智能材料，可以從誘導(dǎo)變形中恢復(fù)，并在加熱時(shí)恢復(fù)其記憶形狀。
該團(tuán)隊(duì)已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)開(kāi)發(fā)的機(jī)器人進(jìn)行了測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)了1cm/s的運(yùn)動(dòng)。該裝置使用基于SMA彈簧的機(jī)構(gòu)來(lái)模擬魚(yú)尾后翅的顫動(dòng)，從而產(chǎn)生推動(dòng)機(jī)器人魚(yú)的推進(jìn)力。開(kāi)發(fā)這種軟機(jī)器人的好處是它們?cè)试S無(wú)噪音驅(qū)動(dòng)和簡(jiǎn)單靈活的設(shè)計(jì)，從而消耗更少的制造時(shí)間?；赟MA線(xiàn)的聚合物結(jié)構(gòu)的連續(xù)加熱和冷卻負(fù)責(zé)其身體的觸角膨脹和收縮，其產(chǎn)生推力以使水母機(jī)器人在水中移動(dòng)。
柔軟和智能材料的結(jié)合使其能夠模仿和創(chuàng)造靈活的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，如真正的水下生物。這些機(jī)器人可以用于許多應(yīng)用，例如通過(guò)一些高度智能化的水下相機(jī)進(jìn)行水下生物或珊瑚礁研究，或者一些來(lái)自水下的間諜行為，以避免通過(guò)水資源產(chǎn)生的不必要的威脅。
形狀記憶合金軸承
NASA的摩擦學(xué)和旋轉(zhuǎn)機(jī)械專(zhuān)家Christopher DellaCorte在嘗試使用鎳鈦合金制造球形軸承，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的滾珠軸承在極端環(huán)境下，特別是在航空航天飛行時(shí)，容易生銹和凹陷。但鎳鈦合金與傳統(tǒng)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(jié)合。最常見(jiàn)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，但仍然可以恢復(fù)其原始形狀。
DellaCorte最初對(duì)測(cè)試任何Nitinol材料作為滾珠軸承持懷疑態(tài)度。因?yàn)檫@種尺寸不穩(wěn)定的材料很難產(chǎn)生良好的軸承，因?yàn)檩S承需要有精確的尺寸，并且不會(huì)隨著時(shí)間而改變。精密的航空航天和商用飛行儀器保持尺寸穩(wěn)定性至關(guān)重要，鎳鈦合金不能確定能夠滿(mǎn)足這一要求。它也必須是非磁性的，非常堅(jiān)硬并且能夠承受重摩擦——所有這些都會(huì)損害飛行能力。而測(cè)試使用的合金版本名為Nitinol 60，它非常穩(wěn)定并且可以通過(guò)仔細(xì)的熱處理使其變硬。DellaCorte和來(lái)自NASA格倫研究中心和雅培球公司的技術(shù)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)決定對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。
最終他們得到了高質(zhì)量的Nitinol軸承球，其工作原理與超硬橡膠類(lèi)似。這種新型球軸承的一種商業(yè)應(yīng)用是用于機(jī)翼部件，因?yàn)檫@種金屬不受用于在低溫下處理飛機(jī)的腐蝕性除冰劑的影響。該團(tuán)隊(duì)目前還在對(duì)這種軸承進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。
總結(jié)
形狀記憶合金高端產(chǎn)品應(yīng)用主要集中在航空航天領(lǐng)域，而我國(guó)目前的形狀記憶合金應(yīng)用還主要集中在醫(yī)療器械領(lǐng)域，其他領(lǐng)域雖有少量應(yīng)用，但整體上講還沒(méi)有打開(kāi)市場(chǎng)，因此，我國(guó)未來(lái)在形狀記憶合金的應(yīng)用發(fā)展方面可以更多關(guān)注航空航天、機(jī)器人動(dòng)力等先進(jìn)領(lǐng)域。
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