[发明专利]一种基于梯度预应变的SMA致动器

说明书

本发明涉及一种基于梯度预应变的SMA致动器，该SMA致动器在其整个长度范围内引入预应变，并且预应变的分布分为两个端部区段和一个中间区段，所述两个端部区段的预应变从端部往中间方向呈梯度或连续递增，最大值不超过所述中间区段的预应变，所述中间区段的预应变是均匀分布的。与现有均匀预应变SMA致动器相比，本发明可以使致动器在通电或其它方式致热驱动时其与基材在埋段端部或胶接段端部的界面应力集中得到有效控制，可显著提升复合结构的使用寿命和服役性能。

技术领域

本发明涉及SMA致动器技术领域，主要涉及一种基于梯度预应变的SMA致动器。

背景技术

利用形状记忆合金的形状记忆效应通过在其上引入预应变即可制备成致动器，这已广为人知。当采用某种复合的方式将SMA致动器埋入一种材料(可以是单一的各向同性材料，也可以是各型复合材料，以下统称为基体)中或粘接于某种固体材料(以下简称基材)的表面制备成某种结构物或产品时，则在以某种方式加热使之超过相变温度时，其便会驱动该结构或产品产生相应变形等，致使结构和产品的形状、振动特性等发生改变，然而在其驱动结构或产品的同时，其与基体的界面处或与基材的胶接面处端部会产生显著的应力集中现象，致使在这些部位易率先出现失效，从而导致整个复合结构或产品渐进失效。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在形状记忆合金和基体或者基材之间界面容易出现脱粘导致产品失效的缺陷，而提出一种基于梯度预应变的SMA致动器，有效解决先前基于均匀预应变形状记忆合金致动器的智能复合结构易出现界面失效的瓶颈问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于梯度预应变的SMA致动器，该SMA致动器在其整个长度范围内引入预应变，并且预应变的分布分为两个端部区段和一个中间区段，所述两个端部区段的预应变从端部往中间方向呈梯度或连续递增，最大值不超过所述中间区段的预应变，所述中间区段的预应变是均匀分布的。

其可以是经表面处理的圆截面或经压痕处理的变形截面丝状SMA致动器，或经表面处理的平板状或经压痕或激光处理的呈微凹凸状表面的片状SMA致动器；可埋入或粘贴于被驱动基材内部或表面制备成复合结构使用。

对于复合了SMA致动器的结构，工作原理为当采用某种方式加热使SMA温度升高至该SMA相变温度以上时其将产生回复至预应变前形状的变形趋势，致使复合结构产生变形、发生刚度改变等。

SMA致动器是利用形状记忆合金具备的形状记忆效应，在低于其奥氏体起始温度的环境下引入相应环境温度下不可回复的预应变后，当将之固结于材料内部或胶接于基材表面时，通过通电加热或其它加热方式使SMA处于高于奥氏体相变起始温度时其将产生回复变形的趋势，因其与基体或基材固结在了一起，除非固结失效，在其与基体或基材间将产生相互作用力，从而驱动基体或基材发生变形。在SMA致动器致动时，埋段或粘接长度段与基体的界面或与基材的胶接界面在端部或预应变突变处会出现应力集中，从而容易引发失效。

本发明通过在埋于基体的或粘接于基材表面的SMA致动器的端部区段，引入了从端头到中间区段呈递增变化的预应变，总的趋势是越靠近端部预应变越小，在端部区段与中间区段的交点位置，预应变可能有一个突变，也可能是同一预应变值；中间区段则为均匀预应变段，该段的预应变为致动器上最大的预应变。端部区段若为阶梯状梯度预应变，则任一阶梯段内则为一均匀预应变段，具体梯度预应变方案与形状记忆合金的形状记忆特性、形状记忆合金的表面形貌、与之复合的基体/基材的特性、胶粘剂的性能等有关，需根据在规定驱动条件下界面不发生破坏为原则通过定量设计确定。这部分属于本领域技术人员根据本申请的设计思路可以计算得到的。