形狀記憶合金纜線的製作方法

2023-05-04 08:39:41

專利名稱：形狀記憶合金纜線的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及纜線、繩索、編織物、和其它包括多個互相協作以實現功能 的線絲的複合材料(此處統稱為「纜線」)；更具體地，本發明涉及包括多條形狀記憶合 金線絲的致動纜線、自適應結構纜線或阻尼纜線。
背景技術：
使用天然材料和合成材料製成的結構拉伸纜線長期以來已經被開發，從而用於 各種應用。例如，纜線在土木工程建築中用於電力纜線、橋梁支撐和礦井，在海運和船 舶領域中用於打撈(或救援)/恢復、牽引、船舶下錨、快艇索具和石油平臺，在航空領 域用於輕型航空器的控制纜線和太空人系索，在娛樂領域用於諸如纜車和滑雪吊索。通 常，這些纜線都如下地構成由鋼絲螺旋狀地纏繞成線束，線束進而圍繞芯部盤繞。但 令人擔心的，傳統纜線通常是靜態構件，不具備調整的能力或另外進行修改的優勢。

發明內容
本發明關注該問題並提供了一種活性材料纜線，其適於用作致動器、自適應結 構性構件、阻尼器，等等。與相同標稱外徑的單體杆相比，本發明的纜線提供了更好的 疲勞性能並在彎曲時更靈活，關於後者，本發明的纜線允許更緊湊的纏繞(例如，更緊 的彎曲半徑)。SMA線絲的纜線構造很大程度上解決了與生產SMA結構元件相關的幾個問題， 並由此為這種生產帶來了優勢。首要地，應該認識到，將傳統SMA材料聯接到其本身 一般需要專門的焊接技術和雷射加工來生產複雜形狀和機械卷邊，以便實現到其他結構 的附接。此外，作為單體材料，SMA具有比例方面的問題，包括(1)大截面的條通常 在性能上比線絲差，這是因為難以在材料處理過程中控制通過截面的淬火率和不切實際 的冷處理過程，在SMA線絲中這兩個問題得到顯著優化。(2)與大條SMA相關聯的成 本遠遠高於和線絲相關聯的成本，並且(3)熱響應時間與體積表面積比成比例，也就是 說，與條的直徑成比例，這導致大的條的響應遲鈍。
在本發明的第一個方面，纜線表現為緊湊的、高力度、低成本致動器。此處， 如前所述，纜線構造與同等直徑的杆相比，提供了更快的熱響應，這是由於纜線具有更 好的表面/體積比。本發明的纜線包括多條縱向互相接合併且協同地起作用的線絲，其 中至少兩條線絲包括形狀記憶合金材料。本發明的第二個方面是有關基於SMA的纜線，該纜線適於用作阻尼元件。此 處，SMA線絲處於奧氏體相中，其中，能量被吸收並被超彈性地耗散，並且可進一步構 成可變形結構。本發明的第三個方面是關於一種靈巧纜線致動器，該致動器包括前述致動器 纜線；至少一個傳感器，該至少一個傳感器可操作以檢測一個或多個狀況；以及控制 器，該控制器通信地耦接到所述至少一個傳感器和纜線，並構造成在檢測到狀況時引起變化。通過參考後續對本發明各種特徵的詳細說明和其中所包括的例子，本發明可更 容易地被理解。


本發明的(一個或多個)優選實施例將參照按示例性比例繪製的附圖被詳細描 述，附圖中
圖1是根據本發明優選實施例的纜線的末端的透視圖，其中纜線包括盤繞到線 束中的多條形狀記憶合金線絲，並且多個線束圍繞芯部盤繞；圖2是根據本發明優選實施例的纜線的剖面圖，其中纜線包括盤繞到線束中的 多條形狀記憶合金線絲和鋼絲，並且多個線束圍繞芯部盤繞；圖3a是根據本發明優選實施例的纜線的正視圖，其中纜線具有外部螺旋構造， 限定外部右向普通捻；圖3b是根據本發明優選實施例的纜線的正視圖，其中纜線具有外部螺旋構造， 限定外部左向普通捻；圖3c是根據本發明優選實施例的纜線的正視圖，其中纜線具有外部螺旋構造， 限定外部右向順捻；圖3d是根據本發明優選實施例的纜線的正視圖，其中纜線具有外部螺旋構造， 限定外部左向順捻；圖3e是根據本發明優選實施例的纜線的正視圖，其中纜線具有外部螺旋構造， 限定外部右向混合捻；圖4是根據本發明優選實施例的纜線的正視圖，其中纜線具有外部螺旋構造， 特別地限定線束的螺旋角；圖5a是根據本發明優選實施例的纜線的剖面圖，其中纜線包括繞單個芯部盤繞 並具有塗層的多層形狀記憶合金線絲以及線絲之間的潤滑劑；圖5b是根據本發明優選實施例的纜線的剖面圖，其中纜線包括繞單個芯部盤繞 的多層形狀記憶合金線絲，並且在各層中間具有護套；圖6是根據本發明優選實施例的靈巧纜線致動器的正視圖，該致動器包括部分 示出的基於SMA的纜線、耦接到芯部的熱電元件、操作耦接到該元件的控制器、以及通 信地耦接到纜線外部和控制器的傳感器；圖7是根據本發明優選實施例的纜線的正視圖，其中纜線具有中空管的芯部， 該芯部流體耦接到流體源；圖8a是根據本發明優選實施例的滯後回線，其示出了如圖3a、圖3b所示纜線的 應變與所施加應力的關係，該纜線限定了淺的線/線束螺旋角；圖8b是根據本發明優選實施例的滯後回線，其示出了如圖4所示纜線的應變與 所施加應力的關係，該纜線限定了較大的螺旋角；和圖9是根據本發明優選實施例的球形結構的透視圖，該球形結構包括多個形狀 記憶合金纜線。
具體實施例方式下述對優選實施例的描述在本質上僅僅是示例性的，決不意圖限制本發明，及其應用或使用。參見圖1-9，示出了基於形狀記憶合金的纜線10的各種構造；然而如 前所述，應該認識到，本發明的有利之處可通過其他類似的幾何形式來加以各種利用， 諸如繩、編織物、束等。應該認識到，此處所使用的術語「纜線」包括了這些其他的 幾何形式，使得本發明總體上闡述了包括多條縱向接合併協同地起作用的形狀記憶合金 (SMA)線絲12的纜線10。根據SMA材料所處的相，纜線10可被用作致動器、自適應結 構性構件、阻尼器、或其他應用，其中，纜線10的前述功能和特性被有利地加以利用。 本發明關於SMA材料進行描述和說明，然而，在本發明的一些方面中，應該認識到其他 等同的展現出類似形狀記憶效應的活性材料也可以用於取代SMA或作為其補充。I.活性材料的詳述和功能如此處所使用的，術語「活性材料」應被賦予其由本領域的普通技術人員所理 解那樣的通常含義，並包括在暴露於或隔絕於激活信號時在基本性質(例如，化學性質 或固有的物理性質)中呈現可逆變化的任何材料或複合物。適用於本發明的活性材料 包括但不限於形狀記憶材料(例如，形狀記憶合金、鐵磁形狀記憶合金和電活性聚合物 (EAP)等)。應該認識到，這些類型的活性材料具有快速移位的能力，或記憶其原有形 狀和/或彈性模量的能力，通過施加外部的刺激可以隨後恢復這些原有形狀和/或彈性模 量。因此，從原有形狀的變形是一個臨時狀態。更特別地，形狀記憶合金(SMA』 S)通常是指這樣的一組金屬材料，其展示出 在受到適當的熱刺激時具有恢復預先設定形狀或尺寸的能力。形狀記憶合金能夠經歷相 變，其中，它們的屈服強度、剛度、尺寸和/或形狀作為溫度的函數而變化。術語「屈 服強度」是指材料顯示出發生了離開應力和應變的比例性的特定偏離時的應力。通常， 在低溫或馬氏體(無擴散)相中，形狀記憶合金處於低對稱單斜晶B19』結構中，具有 12個能量相等的晶格對應變體，其可偽塑性變形。當暴露於一些更高的溫度時，將轉變 成奧氏體相或母相，其具有B2(立方體)晶體結構。這種轉變使得合金元件回到其變形 前的形狀。僅在受熱時表現出此類形狀記憶效應的材料稱為具有單程形狀記憶。那些在 重新冷卻時也表現出形狀記憶的材料稱為具有雙程形狀記憶行為。形狀記憶合金存在於幾個不同的依賴於溫度的相中。如前所述，這些相中最常 用的是所謂馬氏體相和奧氏體相。在下述討論中，馬氏體相通常是指更容易變形的低溫 相，而奧氏體相通常是指更堅硬的高溫相。當形狀記憶合金處於馬氏體相併被加熱時， 合金開始變成奧氏體相。這一現象開始時的溫度通常稱為奧氏體起始溫度As。這一現象 完成時的溫度被成為奧氏體結束溫度Ap當形狀記憶合金處於奧氏體相併被冷卻時，合金開始變成馬氏體相，這一現象 開始時的溫度通常稱為馬氏體起始溫度Ms。奧氏體轉變成馬氏體結束時的溫度被稱為 馬氏體結束溫度Mf。通常，形狀記憶合金在它們的馬氏體相時相對更加柔軟並更容易變 形，在奧氏體相時則相對更加堅固、堅硬和/或更加剛性。考慮到前述情況，適用於形 狀記憶合金的激活信號是熱激活信號，其大小足夠導致在馬氏體相和奧氏體相之間的轉 變。根據合金成分和處理的歷史過程，形狀記憶合金可表現出單程形狀記憶效應、固有的(或內因的)雙程效應或非固有的(或外因的)雙程形狀記憶效應。經退火的形狀 記憶合金通常只表現出單程形狀記憶效應。對低溫變形後的形狀記憶材料隨後進行充分 加熱將引起馬氏體至奧氏體型的轉變，並且材料將恢復至原先的經退火的形狀。因此， 僅在加熱時觀察到單程形狀記憶效應。包括了展現出單程記憶效應的形狀記憶合金成分 的活性材料不會自動重組，而往往在判定需要使裝置重置時要求外部的機械力。固有的和非固有的雙程形狀記憶材料都具有的特點是在受熱從馬氏體相到奧 氏體相時具有形狀轉變，在從奧氏體相冷卻回到馬氏體相時也具有另外的形狀轉變。具 有固有的形狀記憶效應的活性材料由形狀記憶合金成分製造而成，作為上述相變的結 果，其將導致這些活性材料使它們自身自動重組。固有的雙程形狀記憶行為必須通過加 工來引入到形狀記憶材料中。此類過程包括在處於馬氏體相中時使材料最大程度地變 形，在受約束或負載情況下加熱並冷卻，或進行表面改性，例如雷射退火、拋光或噴丸 硬化。一旦材料被賦予雙程形狀記憶效應，則低溫態和高溫態之間的形狀變化一般是可 逆的並能在很多次熱循環中得以保持。與之相對的，具有非固有的雙程形狀記憶效應的 活性材料是複合物或多組分材料，其將具備單程效應的形狀記憶合金成分和另一個元件 組合起來，該另一個元件提供恢復力以重組成原來的形狀。形狀記憶合金在被加熱時記憶其高溫形式的溫度可通過少量變化合金成分和 通過熱處理來進行調整。例如，在鎳鈦形狀記憶合金中，其可從高於約100°c到低於 約-100°c來變化。形狀恢復過程發生僅幾度的範圍內，轉化的開始和終結可被控制於 一度或兩度之內，這取決於所期望的應用和合金成分。形狀記憶合金的機械性質在跨越 其轉變的溫度範圍上變化極大，通常為系統提供形狀記憶效應、超彈 性效應和高阻尼能 力。適宜的形狀記憶合金材料包括但不限於，鎳鈦基合金，銦鈦基合金，鎳鋁基合 金，鎳鎵基合金，銅基合金(例如，銅鋅合金，銅鋁合金，銅金合金，和銅錫合金)，金 鎘基合金，銀鎘基合金，銦鎘基合金，錳銅基合金，鐵鉬基合金，鐵鉬基合金，鐵鈀基 合金，以及其它類似的材料。合金可以是雙元的、三元的或任何更高階的，只要合金成 分能表現出形狀記憶效應即可，例如，在形狀取向、阻尼能力等等中的變化。應該認識到，形狀記憶合金在被加熱到高於它們的馬氏體至奧氏體相變溫度 時，其模量將增加2.5倍並且尺寸變化(當在馬氏體相中時，從引入的偽塑性變形恢復) 多達8% (取決於預應變的量)。應該認識到，熱引發的SMA相變是單向的，因此，一 旦去除所施加的場，則需要偏置力回復機構(例如彈簧)使SMA回到其起始構造。焦耳 加熱(或電阻加熱)可用於使整個系統電可控。由對SMA加載或卸載所引起的、應力誘發的SMA中的相變(當溫度高於入時) 本質上是雙向的。也即是說，當SMA處於奧氏體相中時，施加足夠的應力將導致SMA 變化到其較低模量的馬氏體相，其中，SMA可顯示出多達8%的「超彈性」變形。去除 所施加的應力將導致SMA返回其奧氏體相，這樣將恢復其起始形狀和較高的模量。鐵磁形狀記憶合金(FSMA』 S)是SMAs的子類。這些材料可具有與傳統SMA 材料相似的特性，具有在應力或熱量的誘發下在馬氏體和奧氏體相之間的轉變。此外， 鐵磁形狀記憶合金是鐵磁性的且具有強磁晶態各向異性，這允許外部磁場影響場對準的 馬氏體變體的取向/比率(或分數，fraction)。當磁場被移除時，材料可表現出完全雙程、部分雙程或單程形狀記憶。對於部分或單向形狀記憶，外部刺激、溫度、磁場或應 力可允許材料恢復到其初始狀態。完美的雙程形狀記憶可通過連續的功率供應用於比例 控制。單程形狀記憶在軌填充(rail filling)應用中最有用。在汽車應用中，通常通過軟 磁芯電磁體產生外部磁場，不過也可採用一對亥姆霍茲(Helmholtz)線圈用於快速響應。電活性聚合物包括那些響應於電場或機械場而具有壓電、熱電或電致伸縮性質 的聚合物材料。例如，具有壓電聚(亞乙烯基氟化三氟乙烯)共聚物的電致伸縮接枝彈 性體。這種組合具有產生可變量的鐵電-電致伸縮分子複合物系統的能力。這些可以操 作為壓電傳感器或甚至是電致伸縮致動器。適於用作電活性聚合物的材料可以包括任何充分絕緣的聚合物或橡膠(或其組 合)，其響應於靜電力而變形，或者其變形導致電場的變化。適宜用作預應變聚合物的示 例性材料包括矽樹脂彈性體、丙烯酸彈性體、聚亞安酯、熱塑性彈性體、包括PVDF的 共聚物、壓敏粘合劑、氟橡膠、包括矽樹脂和丙烯酸部分(acrylic moieties)的聚合物，等 等。例如，包括矽樹脂和丙烯酸部分的聚合物可包括共聚物(其包括矽樹脂和丙烯酸 部分)、聚合物混合物(其包括矽樹脂彈性體和丙烯酸彈性體)。II.SMA纜線致動器的說明和使用
在本發明的第一個方面中，纜線10可用作柔性致動器和/或自適應結構性拉伸 構件，其能夠受驅動地連接至例如褶皺之類的自由主體14，該自由主體14進一步適於連 接到結構性組件(圖7)。當受到激活時，纜線10可操作以操縱(例如平移、彎曲和/或 旋轉或「扭曲」)主體14以達到期望的位置、取向、構造或形狀。為此，纜線10構造 成關於預想的功能和主體質量來產生足夠的致動力。此處，應該認識到，基於所採用的 活性材料，實現所述致動力所必需的SMA線絲12的規格、截面積、長度和/或其它構造 可容易地被本領域技術人員所確定，因而，本文並不對選擇標準進行詳細討論。在該構造中，SMA線絲12處於標準的馬氏體相中，以便被熱激活；也就是說， 線絲材料被選擇成具有高於室溫(或預期工作溫度)的轉變溫度。這樣，線絲12耦接到 熱信號源16(圖6和圖7)，熱信號源可操作以產生和輸送足以激活材料的信號。在其他 實施例中，應該認識到，信號可以是電的、應力相關的、磁的，等等，這取決於所採用 的特定活性材料。在所示實施例中，線絲12通過硬線(圖6)、流體流(圖7)、或被動 地通過環境熱能(例如，來自太陽或毗鄰的發熱系統)與源16耦接。還應該認識到，線 絲12可以是SMA和其它耐用材料(例如鋼)的混合；可以是超彈性和形狀記憶SMA的 混合；或最終，可以在纜線10上具有可變的SMA組分，以補償線絲應變、線絲長度和 跨截面上的溫度這些方面中的差異。轉向纜線10的結構構造，在所示實施例中示例性地描述了各種捻形式和截面形 式，其中具有不同的線絲組成的功能性分級的截面是可能的。圖1和圖2示出了基本的 纜線設計，其中多條線絲12繞著芯部18螺旋地纏繞，以形成線束20。芯部18支撐線束 20的線絲成為標稱的圓形截面(圖2和圖5)。然後，多個線束20可以繞著另一軸向線 束20或細長的柔性構件被螺旋地纏繞，該細長的柔性構件作為纜線芯部18(圖1和圖2) 而起作用。應該認識到，螺旋的線束20是纜線10的主要負載承受元件。纜線10中的線絲可以只包括SMA線絲12或可以進一步包括非SMA線絲22 (圖 2)。可包括非SMA線絲22以提供增加的結構完整性，充當回復彈簧，或以另外的方式調整纜線10的性能。至於結構完整性，應該認識到，許多的線絲12、22和線束20並行 地支撐拉伸負載，以便提供冗餘度和更寬容的失效模式。應該知道，SMA線絲12的直徑可以是一致的或可變的，但這些線絲協同地構造 成產生所需要的致動力，而線絲12的(一個或多個)長度構造成實現致動器10的期望行 程。至於後者，還應該認識到，例如，由沿著纜線長度在不同位置處連結的(splicing)電 的、熱的和/或機械的連接，或由不同的絕對線絲長度所提供的不同活性長度，可以用 於實現有差別和成比例的致動。此外，SMA線絲12可包括線10的縱向段，其還具有常 規的縱向段。優選地，線絲12、22通過塑性變形至與期望幾何形狀一致的螺旋形基準構造， 以避免由於失效線絲的回彈而形成毛邊。然而，在優選實施例中，SMA線絲12可具有非 螺旋狀的永久形狀，從而使得當致動時，隨著線絲12嘗試達到被激活的非螺旋狀輪廓， 導致纜線10經歷線性和/或轉動的移位。更特別地，在如圖(圖4和圖5)所示的標準纜線構造中，線束18中線絲12的 每一層22(包括外部線絲12)都具有一致的螺旋構造，其限定了螺旋角α和捻的方向 (然而，再次注意，本發明包括其它幾何形式，例如直捆、編織物、織繩等)。線束20 中的線絲12、22的螺旋結構相對於給定層22中的線束20的線絲的螺旋結構可沿相反的 方向(普通捻)或相同的方向(順捻)來加以放置，這影響到線和纜線的軸線之間形成的 角度。如圖3a-e所示，例如，外部線絲/線束的螺旋構造可呈現右向普通捻、左向普通 捻、右向順捻、左向順捻、或右向混合捻。應該認識到，螺旋角和捻有助於確定纜線10 的軸向剛度、存儲的彈性能量、彎曲/扭曲順從度、外部光滑性、耐磨性以及冗餘度。 例如，應該認識到，螺旋角直接與纜線10的總行程成比例，並與其屈服負載成反比。
芯部18可以是軸線，其中，只有線絲12的互相纏繞的層構成了線束20;由 一條或多條線絲12、22或線束20自身(圖2)構成；或由非活性單體構件製成。芯部 18由具有適宜柔性和可壓縮性的材料形成，其與其他因素一起使得纜線10能夠實現最小 的卷繞半徑並具有應變適應性。例如，在本發明中，芯部18可由橡膠、泡沫材料、鋁、 銅、塑料、棉、另外的處於馬氏體相或奧氏體相中的形狀記憶合金、或上述的組合、以 及其它類似材料形成。在優選實施例中，芯部18還具有加熱和/或冷卻元件，其構造成致動或耗散來 自纜線10中剩餘(一個或多個)線束或(一條或多條)線絲的熱量。在這種構造中，芯 部18由導熱材料形成，並與源16熱耦接。例如，如圖6所示，芯部18可以與熱電元件 16a熱耦接。當將要發生焦耳加熱時，選擇芯部18並與源16的電壓範圍協作，以提供期 望的電阻以提高功率效率；例如，可包括至少一條鎳鉻合金線絲。可替換地，芯部18可 具有限定了內部空間24的柔性導管，其中，空間24與源16流體耦接，可操作以將加熱 的或冷卻的流體引導至空間24中(圖8)。優選的纜線10進一步包括線間元件，其縱向地與線絲12的至少一部分接合，居 於線絲12的至少一部分之間，並可操作以改變線絲12的至少一部分之間的互相作用。尤 其是，該元件可以是一種線絲表面狀況(例如，紋理)、分隔件26(圖5b)、潤滑劑28(圖 5a)、護套30 (圖5b)、或線塗層32 (例如作為翅片的碳納米管等)，其促進了致動，提升 了性能，保護了縫隙間的纜線部件、或另外還延長了纜線10的壽命。例如，纜線10可進一步包括凡士林潤滑劑28以減少相鄰線絲12、22 (圖5a)之間的摩擦係數。在單獨的線束20和/或線絲12、22將被分别致動時，潤滑劑28優選地是熱絕緣和/或電絕緣的。 相反地，為了使得能夠從單個線束20或線絲12、22(例如，芯部)更均勻的致動，潤滑 劑28是導熱和/或導電的。除潤滑劑28之外或替代潤滑劑28，線絲12、22可被塗覆或處理，以具有期望 的表面狀況(圖5a)。例如，可以採用塗層32以修改(例如增強)疲勞/熱-機械界面 性質。此外，表面狀況可構造成修改相鄰線絲12之間的摩擦係數。可替換地，應該認 識到，護套30(例如，聚四氟乙烯(Tefl0nTM)66)可用於覆蓋單獨的SMA線束20或線絲 12、22 (圖5b)。應該認識到，通過更改線束/線絲到線束/線絲的摩擦貢獻，纜線10的 響應可被調整。進一步，塗層32可用於修改線絲12的輻射率或其他傳熱性質。最後， 應該認識到，敏感的(例如，光敏感的、EMF敏感的，等等)塗層32可被縱向接合併與 合適的(例如，光纖等)芯部18—起使用，使得光或其它介質的經過導致塗層32產生熱 能。如圖5b進一步所示，例如，可提供附接到芯部18和/或貫穿線束20的縱向分 隔件26，以通過修改或防止線絲的相互作用來幫助或阻礙加熱或冷卻。在操作中，纜線10優選為靈巧纜線致動器系統100的一部分，該系統進一步包 括控制器102和至少一個傳感器104，控制器102在源16和SMA線絲12中間並耦接至 這兩者，至少一個傳感器104通信地耦接到控制器102 (圖6)。優選的控制器102被可編 程地構造成選擇性地導致線絲12被暴露於信號。例如，控制器102可構造成在收到預定 需求後激活線絲12並持續預定時間段(例如，10秒)。控制器102優選構造成單獨控制 每一個線絲12，這使得能夠改變致動力。在優選實施例中，系統100包括冷卻裝置，並 且控制器102操作地耦接到冷卻裝置(未示出)，該冷卻裝置可操作以降低線絲12的溫 度，以便加速線12的去激活。傳感器104可操作以探測感興趣的狀況(例如，應變、溫度、位移、電阻、電 流、電壓、或力)，並通信地耦接到控制器102，並且構造成向控制器102發送數據信 號。控制器102和傳感器104協同地構造成當探測到某一狀況時或者當確定了不相符的狀 況時(例如通過進一步與預定閾值進行比較)，確定何時發生了致動情況或去激活情況。 在優選模式中，控制器102可構造成在通過傳感器104探測到纜線10中的溫度或應變超 過SMA線絲12的安全操作範圍的情況下使纜線10去激活。應該認識到，傳感器104和 纜線10可以一體形成。例如，纜線10可具有牢固固定的外部塗層32，形成外部塗層32 的材料的電阻與所經歷的溫度和/或應變成比例。因此，通過監測電阻，就可以確定纜 線10中的溫度和/或應變。可採用纜線10來提供靈巧的結構性構件，其適於修改整個結構的局部和/或全 局的幾何形狀和/或剛度，例如關於預加應力混凝土梁；或適於提供有價值的信息，例 如，當用於內置的溫度感測時。III.SMA纜線阻尼器的說明和使用在本發明的另一個方面中，纜線10可用作阻尼元件或能量吸收元件，其例如可 用于振動抑制和土木工程結構的地震保護。在這種構造中，SMA線絲12處於標準奧氏 體相，也就是說，線絲12具有低於室溫或預期操作溫度的轉變溫度。這樣，線絲12 —般展示出超彈性的行為，其中，術語「超彈性」是材料指在機械負載/卸載循環中具有 從應變恢復的能力，通常經由滯後回線(hysteresis loop)(圖8a、圖8b)。另外，阻尼纜 線10的構造類似於前述的致動器纜線10的結構性構造(圖1-7)。在該構造中，多條纜線10可被用於構成可調節的能量吸收結構200，例如可伸 縮的殼或球(圖9)。在這個意義上說，應該認識到，該結構(例如，球)的擠壓特性可 通過激活被改變，使得SMA纜線10被用於調整坍塌響應。結構200的幾何和纜線10中 的超彈性變形相互協作，以更有效地吸收和耗散能量。更特別地，如圖8a、圖8b所示，應該認識到，隨著超彈性纜線10在奧氏體相中 被初始地拉伸，從而被致使轉變至馬氏體相，之後進一步在馬氏體相中被拉伸，超彈性 纜線10吸收能量；當負載被釋放時，纜線10通過在馬氏體相中收縮，轉變回奧氏體相， 並進一步收縮回其母奧氏體形狀，從而釋放能量。能量的不同在於由圖8a所示的迴路所 界定的區域，其就是由該系統所提供的能量耗散。在圖8b中，具有較低屈服負載但具有 較高應變能力的纜線產生了相似的滯後回線和能量耗散量。在一個實施例中，當期望能量吸收和耗散時，(一個或多個)結構200可以是可 展開的，而在其他時間則保持於存儲空間(未示出)中。結構200優選地儲存在收縮狀 態(滯後回線的頂部)，並在展開時擴展至較大的能量吸收構造。此外，展開可被調整， 從而使處於展開的結構200可以吸收特定的最大能量；例如，當結構200可以是適於在實 際的車輛緩衝器之前作為偽緩衝器的罩的情形中，該結構可基於預期衝擊事件的嚴重程 度而可變地可展開。
作為阻尼器，應該認識到，纜線10具有廣泛的應用，包括作為負載傳動裝置的 震動吸收或抽動限制纜線。此處，例如，纜線10可用於牽引拖車(未示出)，或使用起 重機(也未示出)舉起重的負載。在剛加載時，SMA材料優選地保持於點P，沿著滯後 回線剛好在轉變之前，從而使得任何附加的應變(例如，來自快速定向(或迴轉))可操 作，以便立刻開始使材料轉變至馬氏體相。如果快速定向在轉變完全發生前停止，則應 認識到，能量耗散將與不完全的回線所到達的深度成比例。還應該認識到，纜線10可用作遠程柔性致動(例如磨床等)的動力傳動元件， 或帶張緊器。關於後者，帶(例如，鏈條等)驅動器(未示出)可包括至少一個大號的 馬氏體SMA段，例如由環形纜線10形成。該段被加熱以使其縮小至工作狀態。其可以 在以後被再加熱以佔據驅動器的其他部分中的鬆弛。可替換地，該段可處於其超彈性的 奧氏體相。超彈性SMA段可用於保證即使在長期使用後，帶中仍具有恆定的張力；應 該認識到，帶由於磨損等會變得鬆弛，從而使帶中的張力減少，拉伸的SMA段將會收縮 回去，以減少鬆弛並且潛在地保持帶的張力恆定。在另一個例子中，至少一個，更優選地，多個交織的超彈性纜線10可用於在撞 擊事件的過程中耗散能量，在一個實施例中可用於防彈背心。此處，再一次地，纜線10 優選預應變以便保持成剛好位於滯後回線的轉變點之前。受到衝擊時，子彈或其它射入 物引起進一步的局部應變和衝擊波遍及整個背心散布。在另一實施例中，纜線10可形成 車輛(未示出)的結構性構件，並且被取向和構造成以便在撞擊時吸收能量。也就是說， 隨著纜線10經歷衝擊產生的波動應力波，並總體上隨著纜線10被致使承受由外來物體的 總體衝擊和彈回所產生的張性加載/卸載，能量被增量地吸收和耗散。最後，應該認識至|J，在超彈性模式中，SMA可提供如下益處，例如，用於保持結構(例如，橋梁、通信 塔、拉繩等)的穩定性，以及作為用於繩索或與座椅和懸掛柱組合在一起的振動支架/隔 離器。在後面的情況中，線絲的摩擦也有助於總的能量耗散，並且超彈性迴路被調整以 使耗散最大化。最後，應該認識到，結構200可進一步包括馬氏體(或形狀記憶)SMA線絲12， 其構造成在被激活時改變結構200的輪廓或幾何形狀，從而使得結構200的能量吸收和耗 散能力得到增強。上述說明使用了示例來公開本發明(包括最佳模式)，也使本領域技術人員可以 實施和應用本發明。本發明的專利範圍由所附權利要求限定，並可能包括本領域技術人 員採用的其他示例。如果這些其他示例具有與權利要求的文字表述相同的結構元件，或 者它們包含了與權利要求的文字表述並無實質性不同的等同結構元件，那麼這些其它示 例也被認為是在所附權利要求的範圍之內。此外，術語「第一」 「第二」，和諸如此類，在本文中並不表示任何順序、數 量、或重要性，而只是用來使一個元件區分於另一個，本文中的術語「該」、「一」、 「一個」和「一種」(以及諸如此類表述)均不用於表示數量限制，而只是用於表示至 少一個所參考的物體(或項目)的存在。所有指向給定部件或測量結果的相同數量的範 圍都包括端點值，並可以獨立地組合。
權利要求
1. 一種纜線，其適於用作致動器、自適應結構性構件、或阻尼器，所述纜線包括多條縱向互相接合併協同起作用的線絲，其中，所述線絲中的至少兩條包括形狀記憶合金材料，所述形狀記憶合金材料在暴露於和/或隔絕於激活信號時可操作以經歷可 逆變化。
2.如權利要求1所述的纜線，其特徵在於，所述至少兩條線絲處於正常的馬氏體相 中，並作為所述變化的結果而產生致動力，所述致動力可操作以導致所述纜線收縮、彎 曲和/或扭曲。
3.如權利要求2所述的纜線，其特徵在於，所述線絲的一部分可操作以產生對抗所述 致動力的回覆力。
4.如權利要求1所述的纜線，其特徵在於，所述線絲是彈性的，並且所述形狀記憶 合金材料處於正常的奧氏體相中，以便在暴露於和/或隔絕於應力激活信號時被引起變 化。
5.如權利要求1所述的纜線，其特徵在於，所述至少兩條線絲具有不同的屬性，以便 在暴露於或隔絕於所述信號時非同時地和/或非一致地變化。
6.如權利要求5所述的纜線，其特徵在於，所述不同屬性選自基本由以下組成的組 形狀記憶合金材料的不同成分、不同的直徑、以及不同的預應變。
7.如權利要求1所述的纜線，進一步包括線間元件，所述線間元件縱向地與所述線絲 的至少一部分接合，居於所述線絲的至少一部分之間，並可操作以改變所述線絲的至少 一部分之間的互相作用。
8.如權利要求7所述的纜線，其特徵在於，所述元件選自由以下組成的組線絲表 面紋理、分隔件、潤滑劑、護套、和線絲塗層。
9.如權利要求7所述的纜線，其特徵在於，所述至少兩條線絲都處於所述馬氏體相 中，且所述元件是不導熱和/或不導電的，以便使所述至少一部分熱絕緣和/或電絕緣。
10.如權利要求1所述的纜線，其特徵在於，所述線絲的一部分具有芯部，且其餘的 線絲縱向接合到所述芯部的外部。
11.如權利要求10所述的纜線，其特徵在於，所述芯部由選自以下組成的組中的材 料形成鎳鉻合金、橡膠、硬泡沫材料、鋁、銅、塑料、棉、光纖材料、和形狀記憶合金ο
12.如權利要求10所述的纜線，其特徵在於，所述至少兩條線絲都處於正常的馬氏體 相中，具有不同的活性長度，並縱向接合到所述芯部的外部，以便在不同的縱向點處產 生致動力。
13.如權利要求10所述的纜線，其特徵在於，所述芯部是中空的，以便限定內部空 間，且所述纜線進一步包括流體源，所述流體源連通地耦接到所述空間並構造成輸送被 加熱或被冷卻的流體至所述空間中，以便分別在處於所述馬氏體相時熱激活所述至少兩 條線絲，或在處於所述奧氏體相時從所述至少兩條線絲中耗散熱能。
14.如權利要求10所述的纜線，其特徵在於，所述芯部熱耦接到熱電元件，且所述熱 電元件構造成加熱和/或冷卻所述芯部。
15.如權利要求10所述的纜線，其特徵在於，所述其餘的線絲的至少一部分沿著第一 方向繞所述芯部的外部纏繞，以便具有限定螺旋角和第一外部線束表面的螺旋結構。
16.如權利要求15所述的纜線，其特徵在於，所述其餘的線絲的一部分進一步沿著第 二方向繞所述第一表面纏繞，以便具有限定第二螺旋角的第二螺旋結構，並且所述第一 方向或角分別與所述第二方向或角不同。
17.一種能量吸收和耗散系統，包括可變形的結構，其至少部分地由至少一條纜線形成，所述纜線進一步包括多條縱向互相接合的線絲，其中，至少兩條線絲包括形狀記憶 合金材料，以便在暴露於和/或隔絕於激活信號時被引起變化。
18.如權利要求17所述的系統，其中，所述結構包括可伸縮的殼、震動吸收器、牽引 纜線、帶或鏈條驅動段、防彈背心、或拉繩。
19.如權利要求17所述的系統，進一步包括存儲空間和展開致動器，所述結構在所述 存儲空間中被保持於變形的狀態，所述展開致動器構造成選擇性地從所述空間中展開所 述結構。
20.—種靈巧纜線致動器，包括纜線，其由多條縱向互相接合併協同起作用的線絲形成，其中，所述線絲中的至少 兩條包括形狀記憶合金材料，所述形狀記憶合金材料在暴露於和/或隔絕於激活信號時 可操作以經歷可逆變化；至少一個傳感器，其可操作以檢測一個或多個狀況；以及控制器，其通信地耦接到所述至少一個傳感器和所述纜線，並構造成在檢測到所述 狀況後，引起所述變化和/或控制所述變化的程度。
21.如權利要求20所述的致動器，其中，所述傳感器選自基本上由以下組成的組 應變、溫度、位移、電阻、電流、電壓、或力的測量儀器。
22.如權利要求20所述的致動器，其中，所述纜線和傳感器是一體形成的。
23.如權利要求20所述的致動器，其中，所述控制器單獨地耦接到所述至少兩條線絲 中的每一條，以便分別地導致其變化。
全文摘要
一種適於用作致動器、自適應結構性構件或阻尼器的纜線，該纜線包括多條在縱向互相接合併協同地起作用的形狀記憶合金線絲。
文檔編號H01B13/00GK102017022SQ200980116301
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月4日 優先權日2008年3月7日
發明者A·L·布朗, B·裡德倫, C·P·亨利, C·S·納穆杜裡, J·A·肖, J·C·烏利尼, J·H·阿斯, K·A·斯特羅姆, N·D·曼凱姆, N·L·詹森, P·E·克拉傑夫斯基, P·W·亞歷山大, R·布拉馬約蘇拉, R·史蒂芬森, S·M·奈克, W·R·羅傑斯, X·高 申請人:密執安大學評議會, 通用汽車環球科技運作公司