形状记忆合金驱动器简介

形状记忆合金属于形状记忆材料的一类，它具有在特定的激励(如温度)下“记忆”或保留原有形状的能力，由于其独特和优越的性能，近年来将其作为一种新型驱动器引起了人们的极大关注和兴趣。它的形状记忆能力有三种不同形式：

第一种是单程形状记忆效应，即在常温下受到机械载荷作用而变形，加热后又恢复原状，但冷却后不会恢复到加热前的形状；

第二种是双程形状记忆效应，即在高温和低温下都会恢复原状；

第三种则是超弹性，即在特定温度范围内，施加机械载荷发生变形后马上恢复原状，但维持超弹性状态需要持续供应能量（保持温度在特定范围内）。

形状记忆合金驱动器正是利用形状记忆效应将恢复形状产生的巨大位移与回复力作为驱动执行元件运动的原动力。形状记忆合金驱动器相比其他MEMS驱动器具有许多优势，三种常见功能材料特性对比如下表所示。

表1 三种常见功能材料驱动器的特性比较

 

特性	形状记忆合金(NiTi)	磁致伸缩驱动器(Terfenol-D)	压电驱动器(PZT)
最大变形（%）	4	0.18	0.2
工作应力（N/mm2）	150	50	50
断裂应力（N/mm2）	900	700	600
能量密度（kJ/m3）	2800	14-25	1.3
最大频率（Hz）	5	50000	50000
可承受电压（V）	<30	<20	>100

 

从表中可以看出，与磁致伸缩和压电驱动器相比，NiTi形状记忆合金驱动器的变形能力最突出，因此它具有较大的驱动位移；它的工作应力和断裂应力最大，意味着形状记忆合金材料可以承受更高的过载，它的强度可以胜任要求更高的驱动元件与结构；同时它的能量密度非常高，远大于其他两种功能材料，结合它自身独特的形状记忆特性，因此在变形回复过程中可以提供相当大的驱动力；另外，形状记忆合金的形状记忆效应背后的物理现象与尺寸无关，说明其在微纳尺寸下也可以拥有良好的形状记忆特性。

形状记忆合金早在上世纪70年代就在美军的F-14战斗机中被使用，它主要用于液压管路上的联轴器，之后形状记忆合金驱动器的独特性能引起了航空航天领域的广泛关注，下图1标出了形状记忆合金在航空领域的现有应用与潜在应用。

在现代车辆中，对于车辆的安全性、舒适性、高性能的需求日趋增加，也导致了传感器和驱动器在汽车内的应用需求急剧增长，给新兴的形状记忆合金提供了更广泛的应用空间，图2标出了现代车辆中潜在的形状记忆合金应用。

审核编辑 ：李倩