一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜及其变形调控方法和应用

技术领域

本发明属于调控薄膜技术领域，尤其涉及一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜及其变形调控方法和应用。

背景技术

传统的变形调控注重于使用执行器和控制器，为此额外的复杂结构严重影响了结构的变形性能，也大大增加了其质量。形状记忆合金是具有形状记忆效应和超弹性的金属合金。由于其独特的性能，形状记忆合金已被应用于航空航天、汽车、生物医学和土木工程等各个领域。形状控制是形状记忆合金领域的一个重要研究课题。形状记忆合金的形状控制可以通过施加温度、应力、磁场和电场等外部刺激来实现。本发明利用形状记忆合金设计的执行器，可以根据不同的变形需求进行不同的变形调控，高效的完成变形任务，能够实现形变过程中的任意形状的固定和回复，实现复杂形状的变形调控，是一种具有主动变形调控的新型结构。解决了传统变形调控结构复杂，质量重等问题。

随着新型智能材料和结构的发展，形状变形调控向着更加智能化和柔性化的方向演变，使用智能材料完成对复杂曲面的变形调控，加强下面三个方面的研究将会对智能柔性变形技术的应用和发展带来革命性的变化。

在结构骨架方面，加强形状记忆合金等高性能的新型材料的研究，突破材料柔韧性、载荷承载性能和重复使用次数的瓶颈，使主动变形结构能够更多自由度、更大变形尺寸并承受载荷作用，实现高载荷、大变形、长寿命的性能飞跃。

在柔性薄膜方面，加强PDMS等高性能有机材料的研究，突破材料的可拉伸行、耐高温性和机械承载性的瓶颈，使主动结构变形调控能够更加轻便，更加大变形尺寸，实验超柔、超韧和大载荷、长寿命的性能飞跃。

在结构变形调控方面，利用智能材料驱动变形，并实现柔性材料、结构和驱动一体化是当前的研究热点和未来应用的发展方向。

但是，目前关于轻量化设计的智能材料结构变形的驱动力和位移量都比较小，无法满足应用的需求通过增加智能材料的数量和体积虽然够增大驱动力和变形量，但是同时也会增加系统的体积和质量，这与变形结构的轻量化的设计理念相矛盾。

鉴于此，发展新型智能材料变形技术的研究，发展具有大变形、可重复性强、驱动力强、结构简单等特点的智能变形结构，是未来智能变形结构的发展方向。

但是目前的智能变形结构属于被动变形结构，即需要额外的驱动系统驱动变形结构内部的结构使与变形结构形同变形，同时变形结构还存在柔性变形和刚性承载的矛盾性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜，通过采用特定结构，以及特定组成的形状记忆合金，使得该结构可以主动变形调控的同时满足柔性变形和刚性承载的特点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜，所述主动变形调控薄膜包括从上到下依次设置的第一弹性薄膜层、形状记忆合金骨架层和第二弹性薄膜层，所述形状记忆合金骨架层包括多根阵列式分布的形状记忆合金丝。

作为优选，所述形状记忆合金丝包括如下质量百分数的组分：Ti：20-30％、Zr：8-10％、Hf：12-16％、Ni：20-30％、Co：4-8％、余量为Cu，所述形状记忆合金丝具有(011)柱状晶微观结构。

本发明采用上述组分的形状记忆合金，在基底中析出打量的类Ti

作为优选，所述形状记忆合金丝通过区域式定向凝固方法制得，且拉伸的速率为100μm/s。随着拉伸速率的增加，过冷度增大，晶粒进一步细化，但是拉伸速率过快，固液界面推进速度过快，晶粒尺寸将会上升，因此，本发明采用上述拉伸速率。

作为优选，所述形状记忆合金丝的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相。

作为优选，所述第一弹性薄膜层和所述第二弹性薄膜层用于保持主动变形调控薄膜的连续界面，且所述第一弹性薄膜层和所述第二弹性薄膜层的构筑状态为旋涂或薄膜贴附。

本发明的第二个目的在于提供一种主动变形调控薄膜的变形调控方法，所述变形调控方法包括主动变形调控薄膜的变形、主动变形调控薄膜的固定和主动变形调控薄膜的初始化。

作为优选，所述主动变形调控薄膜的变形采用外部升温或内部通电加热。

作为优选，所述主动变形调控薄膜的固定包括：在变形过程中将电流降低至保持该形状的电流范围或在完成变形后维持变形电流输入。

作为优选，所述主动变形调控薄膜的初始化包括：降低电流至初始化形状的电流范围。

本发明的第三个目的在于提供主动变形调控薄膜在智能机器人和飞机智能蒙皮中的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、解决了柔性表面大面积主动变形困难的问题，结构可以实现变形过程中的任意形状的固定，主动变形调控薄膜采用形状记忆合金骨架层作为强化纤维，可以改变调控结构的刚度，同时，弹性薄膜层具有柔软、轻薄，变形量大等特点。能够让变形结构保持连续的基础上迅速导热，实现主动调控结构的快速变形以及形状快速固定的要求。

2、将结构变形调控的驱动结构和执行结构集成到主动变形结构内，既减轻了整体的质量，又简化了结构的复杂性。

3、本发明的基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜借鉴纤维弹性材料、形状记忆合金温控变形等领域的研究思路，采用夹心复合结构的构型，通过形状记忆合金骨架层作为强化纤维，改变柔性薄膜承载刚度；通过弹性薄膜层作为连接，保证形状记忆合金骨架层可以实现快速变形。

4、本发明的基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜通过形状记忆合金骨架层和柔性薄膜的结构有效的解决了柔性表面大面积主动变形的问题，同时可以实现变形中的任意变形状态的固定，在改变结构刚度的同时，实现了柔性薄膜材料、结构和驱动一体化，具有工程的推广作用，能够应用于复杂形状变形及固定，智能机器人，飞机智能蒙皮等变形调控领域。

附图说明

图1为本发明实施例1的形状记忆合金丝的排列示意图；

图2为本发明的基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜在厚度方向截面图；

图3为本发明实施例2的形状记忆合金丝的排列示意图；

图4为本发明的基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜在厚度方向截面图；

图5为本发明应用实施例中设置的母相形状；

图6为本发明应用实施例中母相形状经外力改变后的形状；

图中1、弹性薄膜层；2、形状记忆合金骨架层；3、弹性薄膜层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

本发明具体实施方式提供一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜，主动变形调控薄膜包括从上到下依次设置的第一弹性薄膜层1、形状记忆合金骨架层2和第二弹性薄膜层3，形状记忆合金骨架层2包括多根阵列式分布的形状记忆合金丝，形状记忆合金丝的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相，第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层2用于保持主动变形调控薄膜的连续界面，且第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层2的构筑状态为旋涂或薄膜贴附。

在具体实施方式中，形状记忆合金骨架层2中的多根阵列式分布的形状记忆合金丝的排布方式可以多样化。

在具体实施方式中，形状记忆合金丝包括如下质量百分数的组分：Ti：20-30％、Zr：8-10％、Hf：12-16％、Ni：20-30％、Co：4-8％、余量为Cu，形状记忆合金丝具有(011)柱状晶微观结构，形状记忆合金丝通过区域式定向凝固方法制得，冷却液为Ga-In-Sn，拉伸的速率为100μm/s。

本发明具体实施方式还提供一种主动变形调控薄膜的变形调控方法，包括主动变形调控薄膜的变形、主动变形调控薄膜的固定和主动变形调控薄膜的初始化，其中，主动变形调控薄膜的变形采用外部升温或内部通电加热，所述主动变形调控薄膜的固定包括：在变形过程中将电流降低至保持该形状的电流范围或在完成变形后维持变形电流输入，主动变形调控薄膜的初始化包括：降低电流至初始化形状的电流范围。

本发明具体实施方式第三方面还在于提供主动变形调控薄膜在智能机器人和飞机智能蒙皮中的应用。

以下结合具体实施例对本发明的技术效果进行说明。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜，主动变形调控薄膜包括从上到下依次设置的第一弹性薄膜层1、形状记忆合金骨架层2和第二弹性薄膜层3，形状记忆合金骨架层2包括多根阵列式分布的形状记忆合金丝，其中形状记忆合金丝的排列方式为：骨架以圆心为原点的旋转排列示意图形状记忆合金丝的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相，第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3用于保持主动变形调控薄膜的连续界面，且第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3的构筑状态为旋涂或薄膜贴附。

在具体实施方式中，形状记忆合金丝包括如下质量百分数的组分：Ti：20％、Zr：8％、Hf：12％、Ni：20％、Co：4％、余量为Cu，形状记忆合金丝具有(011)柱状晶微观结构，形状记忆合金丝通过区域式定向凝固方法制得，冷却液为Ga-In-Sn，拉伸的速率为100μm/s。

在测试温度为293-393K范围内，对本实施例制得的形状记忆合金进行弹性性能检测，得到本实施例制得的形状记忆合金的可回复应变为4.8％。

实施例2

如图3和图4所示，本实施例提供一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜，主动变形调控薄膜包括从上到下依次设置的第一弹性薄膜层1、形状记忆合金骨架层2和第二弹性薄膜层3，形状记忆合金骨架层2包括多根阵列式分布的形状记忆合金丝，形状记忆合金丝为平行排列，记忆合金丝的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相，第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3用于保持主动变形调控薄膜的连续界面，且第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3的构筑状态为旋涂或薄膜贴附。

在具体实施方式中，形状记忆合金丝包括如下质量百分数的组分：Ti：22％、Zr：8.5％、Hf：13％、Ni：22％、Co：5％、余量为Cu，形状记忆合金丝具有(011)柱状晶微观结构，形状记忆合金丝通过区域式定向凝固方法制得，冷却液为Ga-In-Sn，拉伸的速率为100μm/s。

在测试温度为293-393K范围内，对本实施例制得的形状记忆合金丝进行弹性性能检测，得到本实施例制得的形状记忆合金的可回复应变为4.9％。

实施例3

本实施例提供一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜，主动变形调控薄膜包括从上到下依次设置的第一弹性薄膜层1、形状记忆合金骨架层2和第二弹性薄膜层3，形状记忆合金骨架层2包括多根阵列式分布的形状记忆合金丝，形状记忆合金丝的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相，第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3用于保持主动变形调控薄膜的连续界面，且第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3的构筑状态为旋涂或薄膜贴附。

在具体实施方式中，形状记忆合金丝包括如下质量百分数的组分：Ti：25％、Zr：9％、Hf：14％、Ni：25％、Co：6％、余量为Cu，形状记忆合金丝具有(011)柱状晶微观结构，形状记忆合金丝通过区域式定向凝固方法制得，冷却液为Ga-In-Sn，拉伸的速率为100μm/s。

在测试温度为293-393K范围内，对本实施例制得的形状记忆合金丝进行弹性性能检测，得到本实施例制得的形状记忆合金的可回复应变为5.0％。

实施例4

本实施例提供一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜，主动变形调控薄膜包括从上到下依次设置的第一弹性薄膜层1、形状记忆合金骨架层2和第二弹性薄膜层3，形状记忆合金骨架层2包括多根阵列式分布的形状记忆合金丝，形状记忆合金丝的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相，第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3用于保持主动变形调控薄膜的连续界面，且第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3的构筑状态为旋涂或薄膜贴附。

在具体实施方式中，形状记忆合金丝包括如下质量百分数的组分：Ti：28％、Zr：9.5％、Hf：15％、Ni：28％、Co：7％、余量为Cu，形状记忆合金丝具有(011)柱状晶微观结构，形状记忆合金丝通过区域式定向凝固方法制得，冷却液为Ga-In-Sn，拉伸的速率为100μm/s。

在测试温度为293-393K范围内，对本实施例制得的形状记忆合金丝进行弹性性能检测，得到本实施例制得的形状记忆合金的可回复应变为4.9％。

实施例5

本实施例提供一种基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜，主动变形调控薄膜包括从上到下依次设置的第一弹性薄膜层1、形状记忆合金骨架层2和第二弹性薄膜层3，形状记忆合金骨架层2包括多根阵列式分布的形状记忆合金丝，形状记忆合金丝的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相，第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3用于保持主动变形调控薄膜的连续界面，且第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3的构筑状态为旋涂或薄膜贴附。

在具体实施方式中，形状记忆合金丝包括如下质量百分数的组分：Ti：30％、Zr：10％、Hf：16％、Ni：30％、Co：8％、余量为Cu，形状记忆合金丝具有(011)柱状晶微观结构，形状记忆合金丝通过区域式定向凝固方法制得，冷却液为Ga-In-Sn，拉伸的速率为100μm/s。

在测试温度为293-393K范围内，对本实施例制得的形状记忆合金丝进行弹性性能检测，得到本实施例制得的形状记忆合金的可回复应变为4.9％。

对比例1

与实施例3的区别仅在于，本对比例的形状记忆合金丝组成中不含有Co元素，其他与实施例3相同，此处不再赘述。

在测试温度为293-393K范围内，对本对比例制得的形状记忆合金丝进行弹性性能检测，得到本对比例制得的形状记忆合金的可回复应变为4％。

对比例2

与实施例3的区别仅在于，本对比例的形状记忆合金丝组成中不含有Hf元素，其他与实施例3相同，此处不再赘述。

在测试温度为293-393K范围内，对本对比例制得的形状记忆合金丝进行弹性性能检测，得到本对比例制得的形状记忆合金丝的可回复应变为4.2％。

对比例3

与实施例3的区别仅在于，本对比例的形状记忆合金丝组成中不含有Zr元素，其他与实施例3相同，此处不再赘述。

在测试温度为293-393K范围内，对本对比例制得的形状记忆合金丝进行弹性性能检测，得到本对比例制得的形状记忆合金丝的可回复应变为4.4％。

对比例4

与实施例3的区别仅在于，本对比例的形状记忆合金丝制备方法中，拉伸的速率为95μm/s，此处不再赘述。

在测试温度为293-393K范围内，对本对比例制得的形状记忆合金丝进行弹性性能检测，得到本对比例制得的形状记忆合金丝的可回复应变为4.5％。

对比例5

与实施例3的区别仅在于，本对比例的形状记忆合金丝制备方法中，拉伸的速率为105μm/s，此处不再赘述。

在测试温度为293-393K范围内，对本对比例制得的形状记忆合金丝进行弹性性能检测，得到本对比例制得的形状记忆合金丝的可回复应变为4.6％。

应用实施例

图5、图6给出了本发明的基于形状记忆合金的主动变形调控薄膜在曲面变形的应用实例。

当形状记忆合金加热到相变温度时，合金的结构会发生相变，从马氏体相转变为奥氏体相，伴随着形状的变化。然后，通过突然降低温度，合金迅速冷却至相变温度以下，使合金的晶体结构被"冻结"在了马氏体相的形状中，实现形状的固定，但记忆合金下降后的温度须保持在一定的范围内才可实现形状绝对固定。这种固定的形状在后续的加热中仍然保持，直至再次达到相变温度并进行逆向相变。通过控制加热和冷却的过程，可以实现在不同温度下切换不同的形状，为各种应用提供了极大的灵活性。但是这种冷却对降温的温度范围和速率有很精确的要求。

将主动变形调控薄膜骨架母相设置成如图5的半球形，令骨架弯曲后发生形变如图6，经过升温加热后，骨架带动薄膜仍能恢复母相形状，通过加热记忆合金骨架的不同丝，可以实现不同的形状变形，并且可以实现变形过程中的任意形状的固定，主动变形调控薄膜可以实现结构的大幅度变形。

结构的主动弯曲调控流程如下：

给变形结构上的形状记忆合金骨架层2通电，形状记忆合金骨架层2在焦耳加热的作用下升温，当温度升值预设形状所需温度T时，迅速降低电流大小，使记忆合金温度降低至T1，T1需保持在一定的范围内，T1超出大于一定范围时，记忆合金将继续进行形变，当T1小于一定范围时，记忆合金将部分恢复变形前的状态，利用这种方法，可以实现对形状记忆合金变形过程中的形状固定，通过确定温度T和T1，可以实现对形状记忆合金的精确的形状调控，形状完成固定后只需加大电流形状记忆合金即可继续实现形状的变形，在继续变形的过程中仍然可以使用迅速降低电流实现形状记忆合金的形状固定，最终直至完全恢复奥氏体形状，理论上可以使用此种方法完成记忆合金在变形过程中的任意形状的固定。

当完成形变并停止通电后，形状记忆合金表面的热量经第一弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3，经与弹性薄膜层1和第二弹性薄膜层3的空气对流后形状记忆合金骨架层2发生自然降温，冷却至形状记忆合金骨架层2马氏体相变结束温度，即Mf以下，变形结构恢复至初始的平衡状态。

同理，当需要反向变形时，只需将形状记忆合金骨架母相设置成反向即可。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。