形状记忆合金电机研究与应用中的若干新发展

形狀記憶合金電機研究與應用中的若干新發展

杨 凯，辜承林

(华中理工大学，湖北武汉

430074)

摘要：概括了形状记忆合金的相变晶体学和热力学特性，并在此基础上介绍了形状记忆合金电机的结构、原理、驱动、控制和应用〃综述了当前形状记忆合金电机的应用与研究中的若干热点，

关键词：形状记忆合金(SMA)，形状记忆效应(SME)，SMA电机

中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1001-6848(2000)02-0032-04

观代化工业，特别是微型机器人和计算机技术的飞速发展，对体积小、重量轻、高功率密度电机的需求与日剧增。传统伺服电机因为功率一重量比低，必须安装在远离驱动点的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用要求。为此，人们研制了利用功能材料构成的各类新型电机，如记忆合金电机、压电效应电机、电致伸缩电机和磁致伸缩电机等。其中，压电、电致伸缩和磁致伸缩电机反应速度较快，但输出位移小，使用受到了一些限制。比较而言，形状记忆合金(简称SMA)电机输出位移大，同时有较高的功率一重量比，具有广阔的应用前景。

SMA电机的结构、原理及运行控制方式均与传统电机不同。它是利用SMA材料的独特的形状记忆效应(简称为SME)，辅以一定的偏动装置（弹簧或弹性体），通过特定的控制手段，构成双程可逆致动元件，实现机电能量的转换。

1 SMA与SME

有一种特殊的金属材料，经适当的热处理后即具有回复形状的能力，这种材料被称为形状记忆合金，这种能力亦称为形状记忆效应。通常，SMA枉低温时产生塑性变形，温度升高后，克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明，很多合金材料都具SME，但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的，才有利用价值。到目前为止，应用最多的是Ni- Ti合金和铜基合金(CuZnAI和 CuAINi)。从合金相变的角度来看，SME的实质是SMA内部的热弹性马氏体相变，当母相过冷到马氏体相与母相化学自由能平衡温度丁。以下适当温度 M.时，马氏体将长大，直到热化学自由能和弹性非化学自由能两者之差最小时，马氏体的生长过程才告结束。同样，只有当马氏体过热到To以上温度A。时，在相变驱动力作用下，马氏体缩小的逆转变过程才能开始。

图1现实了相变特性及相变循环中的关关键点，其中M、Mr为马氏体相变的开始和结束时的温度，A。、Af为逆相变的起始和结束温度，人们通常用相变温度Af表征合金的特性。通常，SMA能够完全恢复的形变量可达百分之6～8（远非一般材料所能比拟），形变温度范围一般在-100～200℃之间，主要受合金成分及热处理制度等因素的影响。形