車用形狀記憶合金材料現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢*

劉騰龍 王童 陳軼嵩 張凌霄 劉永濤

（長安大學(xué)，汽車學(xué)院，西安710021）

主題詞：形狀記憶合金 執(zhí)行器 智能結(jié)構(gòu) 汽車 發(fā)展趨勢

1 引言

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy,SMA）是種新型智能材料，該材料能夠“記憶”或保持原來的形狀。因其性能優(yōu)越、獨(dú)特，近年來SMA在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，并成為汽車、航空航天、機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。未來，該材料有望應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，有廣闊的應(yīng)用前景，如：形狀記憶合金驅(qū)動器、形狀記憶合金智能結(jié)構(gòu)等。本文介紹了形狀記憶合金驅(qū)動器、形狀記憶合金智能結(jié)構(gòu)在汽車上的應(yīng)用，并展望了其應(yīng)用前景。

SMA通過適當(dāng)?shù)拇碳ぃㄈ纾杭訜幔┳冃魏竽軌蚧謴?fù)其原始形狀，這被稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect,SME)。SMA的驅(qū)動原理是：在低溫時，馬氏體態(tài)的SMA在外界的作用下發(fā)生變形，如果對其加熱，當(dāng)溫度超過馬氏體逆向變的起始溫度時，SMA內(nèi)部發(fā)生由馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。若此時材料處于自由態(tài)，則形變消失并恢復(fù)原始形狀，若材料處于約束態(tài)，材料內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力。

2 SMA的種類

2.1 按材料分類

SMA材料有很多種，主要包括：Au-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ni-Ti、Ni-Ti-Pd。此外，SMA也有很豐富的產(chǎn)品類型，主要包括：絲式SMA、纖維狀、板材、棒材。依照本體材料，可以將SMA材料分為3類，即鎳鈦基、銅基以及鐵基。

2.1.1 鎳鈦基SMA

鎳鈦基又稱鎳鈦諾，由于其生產(chǎn)成本更低、更容易處理、更安全，與其他類型的SMA相比，它的性能更優(yōu)。因此，鎳鈦基SMA是目前最受歡迎的SMA材料。鎳鈦諾最早是由William Buehler在1959年發(fā)現(xiàn)的，直到William Buehler和Frederick Wang在幾年后揭示了鎳鈦諾的SME之后，鎳鈦諾才有了商業(yè)化應(yīng)用的潛力[1]。北京科技大學(xué)楊質(zhì)對Ni-Mn基和Ti-Ni-Cu-Co SMA彈熱性能進(jìn)行研究[2]，對于設(shè)計固態(tài)制冷用途的高性能彈熱材料具有重要意義。北京科技大學(xué)李少輝對Ti-Zr-Hf-Ni-Cu（Co）高熵形狀記憶合金馬氏體進(jìn)行研究[3]，對設(shè)計具有優(yōu)異高溫超彈性和形狀記憶效應(yīng)的功能材料具有指導(dǎo)意義。

2.1.2 銅基SMA

與鎳鈦基SMA相比較，銅基SMA價格更便宜、更易加工生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性比較差，在加熱條件下，其性能容易發(fā)生變化，加載-卸載多次循環(huán)后，可能會丟失形狀記憶效應(yīng)。針對這一缺點(diǎn)，科研人員通過實(shí)驗研究，在銅基SMA中添加一些微量元素來實(shí)現(xiàn)改善其性能的目的。

2.1.3 鐵基SMA

目前，比較常見的鐵基SMA是Fe-Mn-Si合金，雖然鎳鈦基SMA的形狀記憶效應(yīng)比鐵基SMA的形狀記憶效應(yīng)強(qiáng)，但是鐵基SMA比鎳鈦基SMA便宜很多，而且鐵基SMA擁有高強(qiáng)度和加工方便等優(yōu)勢。由于Fe-Mn-Si只有2%的最大可回復(fù)應(yīng)變，因此在工程實(shí)際當(dāng)中，它沒有被廣泛的應(yīng)用。

2.2 按作用特點(diǎn)分類

2.2.1 單程記憶效應(yīng)SMA

單程記憶效應(yīng)SMA在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。

2.2.2 雙程記憶效應(yīng)SMA

雙程記憶效應(yīng)是指某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。

2.2.3 全程記憶效應(yīng)SMA

全程記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。

3 SMA在汽車中的具體應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著對SMA的深入研究，其在汽車中的具體應(yīng)用主要有以下3個方面：車用SMA執(zhí)行器、車用SMA智能結(jié)構(gòu)、車用SMA離合器。

3.1 車用SMA執(zhí)行器

3.1.1 現(xiàn)有車用執(zhí)行器的分類

汽車執(zhí)行器一般可以分為3類：（1）用于舒適性和車身功能的低功率執(zhí)行器；（2）大功率車輛控制執(zhí)行器；（3）高頻發(fā)動機(jī)控制執(zhí)行器[4]。SMA驅(qū)動器最適合于第1類、第2類。然而，由于低工作頻率和窄帶寬，SMA不太適合第3類。近年來，磁性SMA和NiTi薄膜SMA等新型SMA的工作頻率已提高到2 kHz，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他傳統(tǒng)的高頻驅(qū)動器。

3.1.2 車用執(zhí)行器的重要性

汽車執(zhí)行器是將動力源和機(jī)械零件組合起來進(jìn)行機(jī)械操作的裝置。使用執(zhí)行器可以自由控制在操作時施加的力和速度、角度等。因此，執(zhí)行器在機(jī)電一體化中發(fā)揮著核心的作用。現(xiàn)在用戶對車輛提出了更安全、更舒適和更高性能的需求，這極大地增加了安裝在現(xiàn)代車輛中的傳感器、執(zhí)行器和微控制器的數(shù)量，同時會增加車輛的重量和體積，不利于車輛的設(shè)計。目前，使用傳統(tǒng)電磁執(zhí)行器[5]的車輛上安裝了200多個執(zhí)行器，這些執(zhí)行器在重量、體積和可靠性方面都不是最優(yōu)的。因此，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、“功能密度”高的SMA執(zhí)行器是汽車應(yīng)用中電磁制動器的優(yōu)秀替代品[6]，其中SMA具有更大的制動應(yīng)力和單位體積功率輸出[7]。此外，SMA可以同時作為傳感器和執(zhí)行器。然而，它僅限于能源效率和速度不是至關(guān)重要的應(yīng)用。

3.1.3 車用SMA執(zhí)行器的應(yīng)用

許多汽車制造商都在將SMA應(yīng)用到他們的汽車上。最早商用的SMA汽車驅(qū)動器是1989年嵌在奔馳自動變速器中的熱響應(yīng)壓力控制閥，主要用于平穩(wěn)換擋[8]（圖1）。今天，Actuator Solutions GmbH量產(chǎn)的SMA氣動閥被大多數(shù)汽車制造商（如：寶馬、通用、現(xiàn)代、福特、保時捷、大眾）廣泛使用，年產(chǎn)量達(dá)1 000萬件。

圖1 奔馳SMA驅(qū)動器[8]

在90年代中期，通用汽車開始研究SMA[9]，截止到現(xiàn)在，他們已經(jīng)獲得了200多項專利。其生產(chǎn)的第7代雪佛蘭克爾維特是第1輛使用SMA驅(qū)動器驅(qū)動艙口排氣的車，可以更加容易地關(guān)閉后備箱蓋。菲亞特集團(tuán)旗下的Centro Ricerche Fiat(CRF)也集中參與SMA的應(yīng)用，并已發(fā)布多項專利（如：電動防眩后視鏡(EAGLE)、前照燈執(zhí)行器、加油蓋執(zhí)行器、鎖緊機(jī)構(gòu)）。到目前為止，SMA在乘用車上的應(yīng)用很多，主要應(yīng)用是線性和主動熱執(zhí)行器[10]。李杰鋒等提出了1種以形狀記憶合金板為驅(qū)動元件的雙程彎曲驅(qū)動器[11]，解決變體機(jī)翼中蒙皮大變形與承載力之間的矛盾，同時滿足光順性及疲勞壽命的要求。

3.2 車用SMA智能結(jié)構(gòu)

3.2.1 車用SMA智能結(jié)構(gòu)的重要性

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們越來越注重乘車的舒適性、安全性。而乘坐汽車的舒適性與汽車的振動密切相關(guān)，汽車在行駛的過程中會產(chǎn)生振動，這個振動會直接或者間接影響駕駛員駕駛汽車的舒適性和乘客的乘車舒適性。因此，抑制振動對于汽車極其重要。

Andrea Sellitto等[12]將SMA應(yīng)用于空氣動力學(xué)載荷的概念，提出2個案例研究：擾流板后緣驅(qū)動(非常接近航天背景)和后上面板變形的車輛。研究表明，基于SMA的智能設(shè)備具有可行性。

3.2.2 車用SMA智能結(jié)構(gòu)的研究

1972年，姚冶平提出了1種新的技術(shù)“結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)”，當(dāng)時在世界范圍內(nèi)，得到了極大的關(guān)注。到目前為止，該技術(shù)不僅廣泛地應(yīng)用到了智能材料結(jié)構(gòu)當(dāng)中，而且已經(jīng)在多個領(lǐng)域產(chǎn)生交叉融合[13]。1989年，Rogers等人提出了通過SMA材料實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的振動控制[14]，采取的方法是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中埋入SMA纖維，利用SMA的特性修改其結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到振動控制的目的。梅勝敏等[15]利用SMA進(jìn)行主動控制研究，根據(jù)SMA的形狀記憶效應(yīng)，來調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂懸臂梁的固有頻率，在懸臂梁上下表面埋入預(yù)拉伸的SMA材料，對環(huán)氧樹脂懸臂梁的實(shí)施振動控制。霍永忠等[16]在梁最大拉應(yīng)力區(qū)放置已拉伸的SMA絲，然后對SMA絲進(jìn)行通電流加熱，使之收縮產(chǎn)生回復(fù)力，進(jìn)而減小拉應(yīng)力值。McGavin等[17]在框架結(jié)構(gòu)中布置SMA絲，對其進(jìn)行加熱，可以在結(jié)構(gòu)中起到抑振作用。

Motogi等人[18]研究分析了將SMA絲埋入到復(fù)合材料薄板中，由于當(dāng)溫度變化時，SMA絲的彈性模量也會隨之變化，因此，采取的方式是給SMA絲通電加熱，薄板的彈性模量也會隨之變化，從而能夠避免結(jié)構(gòu)的共振。利用FEMAP9.0軟件，Gianluca Diodati等[18]建立鑲嵌SMA絲的復(fù)合薄板模型。Baz等[19]用SMA材料研發(fā)出高彈性復(fù)合驅(qū)動器，并且對柔性結(jié)構(gòu)的振動利用多個驅(qū)動器進(jìn)行主動控制，結(jié)果顯示該驅(qū)動器的控制效果良好。劉芹等[20]用ABAQUS軟件在Liang-Rog?ers模型的基礎(chǔ)上建立用戶材料子程序，用來模擬SMA的形狀記憶效應(yīng)以及超彈性。邵兵和任勇生[21]研究了1種動力學(xué)模型，該模型是利用SMA材料實(shí)現(xiàn)變剛度半主動控制的，結(jié)果表明，對梁的振動進(jìn)行半主動控制是1種有效的方式。

吉林大學(xué)邱晟桐基于SMA對汽車車身薄壁結(jié)構(gòu)振動特性進(jìn)行研究[22]，研究沖擊作用下SMA對薄壁板結(jié)構(gòu)的抑振特性。吉林大學(xué)孫國超基于SMA對車身梁結(jié)構(gòu)振動半主動控制研究[23]，通過理論分析得到SMA絲產(chǎn)生的回復(fù)力與結(jié)構(gòu)頻率的變化關(guān)系。

3.3 車用SMA離合器

此外，日產(chǎn)公司研制出了冷卻風(fēng)扇離合器，所用的材料是鎳鈦SMA材料。隨著冷卻風(fēng)扇離合器周圍的溫度發(fā)生變化，螺旋彈簧會出現(xiàn)膨脹和收縮的現(xiàn)象，發(fā)動機(jī)水溫能夠被控制，在天氣冷的時候，冷態(tài)時間能夠被縮短，在天氣炎熱的時候，還夠避免冷卻水開鍋，從而節(jié)約能源。汽車在在結(jié)冰的路面上行駛時，為了防滑，會考慮在輪胎上安裝防滑釘。其基本原理是：根據(jù)路面的情況，防滑釘能夠自行進(jìn)行伸縮，當(dāng)防滑釘由SMA材料制成時，它可以隨著路面上溫度不斷變化，利用其自身的形狀記憶效應(yīng)，實(shí)時地調(diào)整伸縮變換。

4 SMA在汽車中應(yīng)用的趨勢分析

（1）新的“智能復(fù)合材料”能夠進(jìn)行多功能操作

SMA與其他材料組合形成形狀記憶雜化材料(Shaped Memory Hybrid Composite,SMHs)或形狀記憶復(fù)合材料(Shaped Memory Composite,SMCs)提高了材料的性能和功能，如主動加強(qiáng)、更高的阻尼能力和韌性以及多態(tài)變化能力。這些新的“智能復(fù)合材料”能夠進(jìn)行多功能操作，比如同時進(jìn)行傳感和響應(yīng)，還可能進(jìn)行自我修復(fù)。SMA還可以靈活地以各種方式制造和設(shè)計，以生產(chǎn)新型SMA。此外，改進(jìn)的SMA顯著提高了SMA的屬性和性能(即更高的應(yīng)力和應(yīng)變)。這些新型SMA增加了SMA利用的潛力，超過了與其競爭的對手。SMA在進(jìn)一步開發(fā)和改進(jìn)方面的巨大潛力使其對許多汽車應(yīng)用程序開發(fā)人員和設(shè)計人員更具吸引力和吸引力。汽車SMA相關(guān)的出版物和專利數(shù)量不斷增加，全球市場對智能材料的需求也隨之增長，其中驅(qū)動器和電機(jī)是最大貢獻(xiàn)者[9]。

（2）SMA可以滿足汽車的特定功能和條件

由于SMA具有吸引人的特性和靈活性，在汽車的各種功能和條件下有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥恚琒MA有望應(yīng)用在對舒適性、車身功能和高功率汽車控制方面帶寬要求較低、運(yùn)行溫度適中的應(yīng)用中。因此，SMA非常適合與“線控”汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢相融合。SMA應(yīng)用中需要考慮的重要設(shè)計因素是工作溫度范圍、性能(力、沖程和汽車工程和移動研究帶寬要求)、耐久性和可靠性。這些因素影響著SMA材料的選擇、形狀、尺寸、加載配置、設(shè)計和冷卻技術(shù)，以及集成傳感器和控制器的類型。利用新材料和制造技術(shù)進(jìn)一步提高SMA在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景，以及當(dāng)前應(yīng)用的優(yōu)化和新應(yīng)用的探索。其感興趣的領(lǐng)域是具有傳感和自修復(fù)能力的智能結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)應(yīng)用(例如“智能輪胎”和“智能氣囊”)。因此，材料科學(xué)家、工程設(shè)計師和市場營銷人員之間的良好溝通和合作將增加SMA的市場應(yīng)用。與市場需求、最新技術(shù)和最新汽車需求保持一致的持續(xù)研究對于確保成功非常重要，例如混合動力汽車(HEV)或電動汽車(EV)中具有新電氣需求的SMA的可行性研究，這將需要更高的電壓。

（3）基于線控技術(shù)的車用SMA成為未來發(fā)展趨勢

基于線控技術(shù)的車用SMA可能會得到快速發(fā)展。在SMA應(yīng)用中要考慮的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，如最大獲得的力和位移以及操作溫度范圍，可以通過改變所采用的SMA鋼絲的材料、尺寸和形狀進(jìn)行控制。因此，如果通過調(diào)整SMA的幾何形狀和材料特性來改進(jìn)，車用SMA執(zhí)行器、車用SMA智能結(jié)構(gòu)等將在基于線控技術(shù)的汽車上的得到更深入的研究和更廣泛的應(yīng)用。