[发明专利]基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置及其使用方法

说明书

本发明提供一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置，在伸展组件中，包括控温半导体层、形状记忆合金层和形状记忆聚合物层，控温半导体层位于形状记忆合金层和形状记忆聚合物层之间。控温半导体层，包括制冷半导体晶粒、柔性隔热材料、铜片和柔性导热材料，制冷半导体晶粒成对存在，相邻的制冷半导体晶粒之间设有柔性隔热材料，位于制冷半导体晶粒两端的铜片分别通过柔性导热材料与形状记忆合金层和形状记忆聚合物层的贴合面连接。本发明通过改变制冷半导体晶粒的电流方向分别控制形状记忆合金层或者形状记忆聚合物层的温度，实现伸展组件的重复可控形变，易于实现自锁定与自展开功能，具有展开冲击小和刚度大的优点。

技术领域

本发明涉及航天技术领域，特别涉及一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置及其使用方法。

背景技术

随着航天事业的发展，空间折展机构逐步趋向于轻量化、大型化和智能化。通过将太阳能板、天线等部件设计为可折展装置能够极大程度上减小包络体积、提高空间利用率。航天领域传统的折展机构依赖于机械结构驱动，机械结构驱动关节铰链的驱动方式主要有：弹簧铰链、电机、电机弹簧混合和高弹性材料等，具有占据空间大、质量大和展开冲击大等缺点。

具有形状记忆功能的铰链结构在一定程度上解决了机械结构驱动的缺陷。形状记忆合金(SMA)具有低温下加载并卸载后出现残余应变，高温(Af)下可消除残余应变、恢复固有形状的特性。热塑性形状记忆聚合物(SMP)在相变温度t_g以下为高强度的玻璃态，在相变温度t_g以上时转为高弹性的橡胶态。使用形状记忆合金以及形状记忆聚合物制成的自驱动铰链结构已在航天领域得到了运用。如专利一种形状记忆铰链展开结构中，伸展装置由豆荚杆型形状记忆聚合物制成，并由加热膜加热展开；专利一种基于形状记忆聚合物驱动的航天温控式百叶窗机构，利用形状记忆聚合物弹簧实现往复运动；论文《微热控百叶窗驱动器的分析与模拟》中，提出了一种微热控百叶窗驱动器，该驱动器利用热电制冷作为温控装置，利用高膨胀系数的金属作为活动部件，实现热控百叶窗的开合。

半导体制冷是利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，通过电流实现主动可控热流传递，如专利CN202221093197.4中，多个导热片的外侧面和多个导冷片的外侧面设有柔性导热薄膜，使得半导体制冷片具有良好的弯曲性能，能够贴合各种终端曲面，保证制冷效果。

上述的专利或论文中存在以下不足：对于单程形状记忆铰链，在通过加热膜加热后恢复初始形状，无法重复折展；由于双程形状记忆材料会对激励产生实时响应，对于双程形状记忆展开结构，需保持对形状记忆材料的刺激条件，因此维持形态需消耗较大能源或只能依赖外界环境的刺激，无法实现低能耗的主动控制。因此，本发明提出一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于半导体温控的双程形状记忆铰链装置及使用方法，通过采用“形状记忆合金层+控温半导体层+形状记忆聚合物层”的多层复合结构，分别向控温半导体层中的制冷半导体晶粒通交流电或者直流电，利用形状记忆材料的特性使铰链装置在收拢状态到展开状态以及自锁展开状态到自锁收拢状态重复切换，从而在不需要持续供能、维持形状记忆材料刺激条件的前提下实现稳定可控的双程形状记忆功能，极大的降低了航天器双程形状记忆折展结构的能量消耗，提高了航天器的内外部空间利用效率以及折展机构在太空中的生存性。