专利名称：用于超高机械阻尼的超弹性合金结构几何形状的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于抑制机械振动和机械冲击震动的方法，更具体而言，涉及 用于抑制机械振动和冲击震动的材料和结构。
背景技术：
通过机械阻尼抑制机械振动噪音和冲击震动是在材料中广泛寻找的性质，不仅是 作为科学关注的问题，也是为了实现新技术。在尺寸从宏观尺度到介观尺度、微观尺度、甚 至纳观尺度的范围内提出的大量机械和机电系统主要依赖于至少最小的振动和冲击震动 抑制以维持系统操作的完整性。的确，没有振动抑制或机械隔离，许多复杂的机械系统可能 会发生故障或受损，或者仅仅显示次最优的操作性能。作为一类材料，形状记忆合金(SMA)已被证实在宏观尺度系统中表现出机械阻 尼。形状记忆合金响应于温度或施加应力的变化在两种不同形态的相之间经历可逆变换。 在宏观尺度SMA结构中已经表明，在这样的变换期间在这两相之间的内部界面的产生和运 动耗散能量，从而在使用宏观尺度SMA结构的机械系统中提供机械阻尼。但是，对于许多机械系统而言，常规的宏观尺度阻尼结构无效或者甚至不适用。例 如，在微机电系统(MEMS)中机械阻尼的改善目前受到关注，微机电系统通常基于微电子材 料和平面微制造技术，并且许多应用需要微机电系统无故障地机械运行几亿、甚至几千亿 个机械循环。这样的微观尺度系统以及纳观尺度系统，通常不服从于常规阻尼结构。尽管阻尼和疲劳特性对于MEMS具有头等重要性，但是这些性质经常在折衷的对 立面。例如，通过在空气中包装MEMS结构或暴露于环境空气，可以形成空气挤压膜，其可有 助于结构或直接环境中的伪机械振动的阻尼。但是，硅MEMS结构可能会因暴露于空气期间 的氧化机理而疲劳。可以通过真空包装而减轻产生的氧化疲劳，但发现这样加剧了机械冲 击和噪音从MEMS组件的使用环境传递到MEMS组件。因此，真空包装会相应降低针对危险 环境振动的耐久性。因此，在先进传感和致动MEMS技术中，结构完整性或机械操作性能之 一经常必须因为另一个而让步。这个例子证实，对于一定尺寸范围的许多机械系统，如果没有在针对环境状况防 护方面的需求让步、没有在操作性能、精度或可靠性方面的限制、或者没有在系统成功方面 偏向另一种考虑，则机械阻尼要求经常不能充分满足。迄今为止，常规的机械阻尼构造使这 样的让步成为必需，因此限制了机械系统在介观尺度、微观尺度和纳观尺度范围的应用。
发明内容
本发明克服了常规机械阻尼构造的限制，提供了一种能够设置成实现优良机械阻 尼和冲击振动防护的机械阻尼结构。在本发明的一个方面中，机械结构具有晶体超弹性合 金，晶体超弹性合金的特征在于平均晶粒尺寸且其特征在于由大于特性第一临界应力的机 械应力输入引起的马氏体相变。超弹性合金的构造具有尺度不大于约200微米且不大于合 金的平均晶粒尺寸的合金几何结构特征。该几何特征被设置成接受机械应力输入。通过这种设置，本发明的机械结构能够实现超高的阻尼特性和仅几毫秒量级的响 应时间。这些品质为新一代更精确和可靠的MEMS和增长中的纳观尺度装置和系统种类以 及大范围的介观尺度和宏观尺度系统提供了实用的解决方案。本发明提供一种相应的机械阻尼系统，在本发明的一个方面中，所述系统包括机 械系统和机械支持体，机械应力通过所述机械支持体输入。由至少一种晶体超弹性合金结 构在所述机械系统和所述机械支持体之间提供机械连接，所述晶体超弹性合金结构具有平 均晶粒尺寸且其特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变。超 弹性合金结构的构造提供合金的几何结构特征，包括尺度不大于约200微米且不大于平均 晶粒尺寸的结构特征。所述几何结构特征在此被设置成接受输入的机械应力。在本发明的另一个方面中，提供一种机械阻尼系统，其包括具有输入端的机械壳 体和机械支持体，机械应力通过输入端输入。由至少一种晶体超弹性合金结构在所述壳体 和所述支持体之间提供机械连接，所述晶体超弹性合金结构具有平均晶粒尺寸且其特征在 于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变。超弹性合金结构的构造提 供合金的几何结构特征，包括尺度不大于约200微米且不大于合金的平均晶粒尺寸的结构 特征。所述几何结构特征被设置成接受输入的机械应力。从以下的说明、附图和所附权利要求书将更清楚本发明的其它特征和优点。
图IA是本发明结构的奥氏体-马氏体-奥氏体变换循环中的四种状态的示意图；图IB是图IA中描绘的变换循环的四种状态的施加应力和相应产生的应变的曲 线；图2是本发明的一定范围内的块状宏观尺度结构和微观尺度结构的机械阻尼优 良指数的曲线；图3A-3E分别是本发明提供的例示超弹性合金微柱、线或纤维、平面结构、开孔泡 沫形状和管的示意图；图4A-4E分别是本发明提供的例示超弹性合金悬臂、膜、桥、带和垂直壁的示意 图；图5A-5C分别是本发明提供的例示超弹性合金纤维织物、超弹性合金纤维束和超 弹性合金纤维编织物的示意图；图6A是包括根据本发明的机械振动阻尼用微柱阵列的机械系统的示意图；图6B是机械系统的示意图，它包括具有根据本发明的机械振动阻尼用超弹性合 金微柱、超弹性合金纤维、超弹性合金纤维束和超弹性合金纤维缆的壳体；
图7A是直径约为450 μ m的本发明实验性超弹性合金纤维的施加应力和测量应变 的曲线；图7B是直径约为^ym的本发明实验性超弹性合金纤维的施加应力和测量应变 的曲线；图8A-8C是十三个本发明的实验性超弹性合金纤维的马氏体临界应力和奥氏体 临界应力之间的差异随纤维直径变化的曲线；图8D是图8B数据的对数曲线，加入了微柱的数据(其数据在图9A-B中绘制成曲 线)和1.6微米直径的另外微柱的数据(正方形符号)以及来自文献的宏观尺度线的数据 (三角形符号)；图9A是0. 9微米直径的本发明超弹性合金微柱两个奥氏体-马氏体-奥氏体变 换循环的偏转深度随施加应力变化的曲线；和图9B是本发明的两个块状超弹性合金晶体和超弹性合金柱的测量应变随施加应 力变化的曲线。
具体实施例方式本发明在于发现了一类超弹性合金结构，其几何结构特征尺寸与合金特性结合产 生了出乎意料的效果，由此在几何特征的微观尺度和纳观尺度下，本发明的合金结构能够 可逆地耗散超过相应块状形态两倍的机械能，同时机械阻尼性质远超相应的宏观尺度块状 材料和结构。如下面详细说明的，这种由于本发明的超弹性合金结构实现的超高阻尼可以 用于大范围的应用，以在机械和机电系统尺寸的宏观尺度、介观尺度和微观尺度中均抑制 机械振动和冲击震动。本发明的超弹性合金表现出可逆的相变，包括形状记忆合金(如，铜基合金，例如 Cu-Al-M合金)以及大范围的其它下述超弹性合金。本发明的超弹性合金耗散机械能的基 本机理是通过它们在被称为奥氏体的高温相和被称为马氏体的低温相之间的可逆热弹性 马氏体变换。在这两相之间的变换通过原子晶格的快速剪切以产生相应的结构形状变化而 发生。奥氏体-马氏体相变也可通过在恒温下向合金结构施加机械应力而诱发。根据本 发明为了耗散超弹性合金结构中的能量而开发的正是这种机械应力诱发的相变。参照图1A-1B，描绘了根据本发明的例示柱结构的奥氏体-马氏体相变循环的各 个阶段。在图IA中，显示了处在弹性变形的起始状态(I)的根据本发明提供的奥氏体的柱 10。当用充分的力将机械应力12施加于该柱以超过临界应力值σ。( σ。对于所选的柱材料、 柱结构几何形状和柱尺寸的组合是特性的)时，在原始奥氏体相内诱发与施加应力相适应 的马氏体变体14，如图IA的第二状态(II)所示，从而在柱结构内产生马氏体-奥氏体界 面。如图IA的第三状态(III)所示，随着施加应力12的维持，马氏体-奥氏体界面被 驱动而穿过材料移动，由此可将基本上所有奥氏体变换成马氏体14。然后，如图IA的第四 状态(IV)所示，当施加的应力减小时，在柱的机械卸载期间发生从马氏体到奥氏体的逆变 换。当应力完全撤消时，柱恢复至它在图IA的起始状态(I)。该变换行为的可逆性被称为 超弹性。超弹性合金结构可通过重复变换而循环。
图IB是在可逆相变期间在诸如图IA的柱的结构中施加的机械应力和产生的相应 机械应变的概括曲线。这种超弹性合金的应力-应变曲线显示与柱加载及卸载施加的机 械应力相应的特性滞后环。与图IA示出的四种变换状态的每一个相应的机械应变在图IB 的曲线中确定，也确定临界应力值σ。，当材料从奥氏体变成马氏体时，σ。的施加引起状态 (II)和(III)之间的应变大量增大。如图所示，作为可逆的、可重复的超弹性材料性质的标 志，卸载后，合金柱的应变反应回到循环开始时的应变反应。在图IA描绘的奥氏体-马氏体-奥氏体的变换循环中，柱材料的内部相界面，即 柱内的奥氏体相与马氏体相之间的界面，在它们的形成和移动期间耗散大部分可获得的机 械能。图IB的曲线的滞后环内的面积16是在变换循环期间由这种在柱内的界面形成和运 动所耗散的每单位体积的能量的定量度量。正是柱材料的这种能量耗散提供了在变换循环 期间吸收震动能量和/或阻尼机械振动的机制。根据本发明发现，具有本发明指定的几何特征尺寸并由本发明的超弹性合金形成 的结构可以在超弹性相变期间耗散格外大量的能量，同时机械阻尼优良指数基本高于相应 的块状材料。这些特性使得能够将本发明的超弹性合金结构组装到宏观尺度、微观尺度和 纳观尺度系统中，重要的是，组装到MEMS和NEMS中，作为对于振动和震动敏感的应用能够 实现新一代更安全、更可靠的机电系统的微米和纳米阻尼器。本发明的合金结构被动地提 供这些特性，即无需在机械致动或其它操作期间主动控制。在下面的讨论中，描述了所发现 的能够实现这种超高阻尼性质的本发明超弹性合金结构的材料和结构特性以及特征。首先，总体上考虑根据本发明的超弹性合金结构耗散的能量的定量分析，在图IA 的变换循环中界面的成核和运动期间由相界面耗散的能量可以基于象图IB那样(此处针 对本发明的例示微柱)的应力-应变曲线进行评估。对于非线性行为，如超弹性材料(如
形状记忆合金)所表现出来的，机械阻尼系数Ψ定义成Ψ = ·^·其中Wmax= α\σ· ε
"max ，09
作为对于应力-应变循环中的施加应力σ，每单位材料体积的最大储存机械能而给出， AW = ，作为在图IB的曲线中在应力-应变循环期间取得的滞后环16的面积而给出， 它表示对于循环，每单位材料体积耗散的能量。为了总体上比较在本发明结构的应力-应变循环期间的能量耗散结果与一定范 围内的结构和材料的阻尼测量，优选使用应力-应变循环的损耗因数n或机械阻尼系数， 或内摩擦tan(cp)，其中φ是应力-应变曲线中应变和应力之间的滞后相角，因为损耗因数和 内摩擦表示每单位体积耗散的能量。在目前仅考虑正应力-应变循环的情况下，机械阻尼 系数n可定义为
“、Δ妒
_。] 一)冗(1)传统上，在横梁弯曲负载或柱体压缩负载的结构应用中，具有每单位体积最大阻 尼的刚性设计的优良指数(merit index)或品质因数(figure of merit)由下式给出E172 · n (2)其中E是杨氏模量。应当注意，对于其它结构几何形状和负载条件，存在其它关注 的优良指数，但对于此处的分析，上面的定义足够。
图2是对一定范围内的材料和结构而言，由上面表达式(2)定义的结构阻尼品质 因数的曲线。为了建立用于比较的共同基础，所有绘成曲线的值采用室温或接近于室温下 的等温阻尼，压缩频率约为1Hz，实验条件是在撤销施加的压缩应力时没有残余变形剩余。 从图2的曲线看出，在传统上用作高阻尼材料的块状材料中，Cu-Mn合金显示最高的阻尼优 良指数，约为0. 5。在此之下，存在一组阻尼优良指数约为0. 4的高阻尼材料，包括纯Cd、共 晶In-Sn和H3-SruTi-Ni块状形状记忆合金和块状Cu-Al-Ni单晶，使用宏观压缩试验测量 它们的特性。如图2的曲线所示，如下面详细描述的，根据本发明提供的两个实验性微柱的特 征在于阻尼优良指数约为0.9，这与η =0. 190士0.003的明显高的机械阻尼损耗因数相 应。提供该数据的两个实验性微柱由根据本发明的Cu-Al-Ni合金形成，柱高度约为5. 3 μ m 和3. 8 μ m,柱直径约为柱高度的1/3。本发明的这些超弹性合金微柱的优良指数超过Cu-Al-Ni的相应块状单晶的两 倍，并且远在最高性能的块状材料的优良指数之上。根据发现，本发明的微观尺度结构和纳 观尺度结构所实现的这种出乎意料高的阻尼品质因数不能由相同材料的相应块状形状所 预测；相同材料的块状晶体未显示这种超高阻尼性质。因此，一方面，具有微柱几何特征的 本发明的合金结构的特征在于，对于上面表达式O)的指数，机械阻尼的优良指数超过约 0. 5，假设是柱几何形状的刚性和阻尼的最佳组合。本发明的结构包括一个或多个由超弹性材料(如形状记忆合金(SMA))形成的几 何特征，其特征在于，在合金材料内响应于施加为临界相变应力O。或高于临界相变应力 σ。的机械应力而形成马氏体相，σ。是在所选结构形状中和在应力施加的特定温度下的材 料特性。根据本发明采用的材料显示真正的超弹性变换性质，即在完全应力-应变变换循 环结束时回到应变起始状态，如图IA那样。图IB的应力-应变曲线显示应变的滞后，这是 本发明所要求的可逆的、应力诱发的奥氏体-马氏体-奥氏体变换循环的标志。下表I是在本发明的结构的超弹性几何特征中可以采用的例示材料的列表。该表 不是穷尽的，也不是限制性的，可以理解其它已知的材料和待发现的材料也可按本发明的 需要使用。本发明不限于特定的材料，而限于在本发明的结构设置中显示本发明的超高阻 尼性质的一类材料。表 I
权利要求
1.一种机械结构，其包括晶体超弹性合金，所述晶体超弹性合金的特征在于平均晶粒尺寸且其特征在于由大于 特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变；和超弹性合金的构造，所述超弹性合金的构造提供尺度不大于约200微米且不大于合金 的平均晶粒尺寸的合金几何结构特征，所述几何特征被设置成接受机械应力输入。
2.如权利要求1所述的结构，其中用于引起马氏体相变的特性第一临界应力小于使结 构塑性变形的塑性变形应力。
3.如权利要求1所述的结构，其中几何结构特征尺度小于超弹性合金的马氏体区域的 尺度。
4.如权利要求1所述的结构，其中合金的各个晶粒延伸至超过所述几何结构特征的一 个自由表面边缘。
5.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金的特征还在于由机械应力输入减小至特 性第二临界应力以下引起的奥氏体相变，所述几何结构特征中的第一临界应力和第二临界 应力之间的差异至少为约20MPa。
6.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金包括形状记忆合金。
7.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金晶粒结构是单晶。
8.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金晶粒结构是多晶。
9.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金的特征在于在约室温下的奥氏体相。
10.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金含有铜。
11.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金含有铝。
12.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金含有镍。
13.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征的尺度大于约2微米。
14.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征的尺度不大于约100微米。
15.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征的尺度不大于约50微米。
16.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金的构造包括合金柱，提供作为柱直径的 几何结构特征。
17.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金的构造包括合金线，提供作为线直径的 几何结构特征。
18.如权利要求17所述的结构，其中所述线的特征在于竹状晶粒结构，其中晶粒跨过 线直径延伸。
19.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的带，提供作为带 的厚度的几何结构特征。
20.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的纤维，提供作为 纤维直径的几何结构特征。
21.如权利要求20所述的结构，其中所述纤维的特征在于竹状晶粒结构，其中晶粒跨 过纤维直径延伸。
22.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的悬臂，提供作为 悬臂厚度的几何结构特征。
23.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的桥，提供作为桥的厚度的几何结构特征。
24.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的膜，提供作为膜 的厚度的几何结构特征。
25.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的板，提供作为板 的厚度的几何结构特征。
26.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的开孔泡沫，提供 作为泡沫孔筋的跨度的几何结构特征。
27.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的闭孔泡沫，提供 作为泡沫孔表面的厚度的几何结构特征。
28.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的编织纤维片，提 供作为至少一种纤维的直径的几何结构特征。
29.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的纤维束，提供作 为至少一种纤维的直径的几何结构特征。
30.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的纤维缆，提供作 为至少一种纤维的直径的几何结构特征。
31.如权利要求1所述的结构，其中超弹性合金结构的构造包括合金的纤维编织物，提 供作为至少一种纤维的直径的几何结构特征。
32.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征被设置成吸收来自机械应力 输入的机械冲击能量。
33.如权利要求1所述的结构，其中合金的几何结构特征被设置成阻尼来自机械应力 输入的机械振动。
34.如权利要求33所述的结构，其中对于所述几何结构特征而言，机械振动阻尼的特 征在于机械阻尼的优良指数为至少约0. 5。
35.如权利要求33所述的结构，其中对于所述几何结构特征而言，机械振动阻尼的特 征在于机械阻尼的优良指数为至少约0. 9。
36.如权利要求33所述的结构，其中对于所述几何结构特征而言，机械振动阻尼的特 征在于机械阻尼系数大于约0. 15。
37.一种机械阻尼系统，其包括机械支持体，机械应力通过它输入；机械系统；和由至少一种晶体超弹性合金结构在所述机械系统和所述机械支持体之间提供的机械 连接，所述晶体超弹性合金结构具有平均晶粒尺寸且特征在于由大于特性第一临界应力的 机械应力输入引起的马氏体相变，超弹性合金结构的构造提供合金的几何结构特征，包括 尺度不大于约200微米且不大于平均晶粒尺寸的结构特征，所述几何结构特征被设置成接 受输入的机械应力。
38.如权利要求37所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括合金柱。
39.如权利要求37所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括 合金柱的阵列。
40.如权利要求37所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括 至少一种合金纤维。
41.如权利要求37所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括 至少一种合金纤维缆。
42.一种机械阻尼系统，其包括具有输入端的机械壳体，机械应力通过输入端输入； 机械支持体；和由至少一种晶体超弹性合金结构在所述壳体和所述支持体之间提供的机械连接，所述 晶体超弹性合金结构具有平均晶粒尺寸且特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力 输入引起的马氏体相变，超弹性合金结构的构造提供合金的几何结构特征，包括尺度不大 于约200微米且不大于合金的平均晶粒尺寸的结构特征，所述几何结构特征被设置成接受 输入的机械应力。
43.如权利要求42所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括合金柱。
44.如权利要求42所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括 合金柱的阵列。
45.如权利要求42所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括 至少一种合金纤维。
46.如权利要求42所述的机械阻尼系统，其中所述至少一种晶体超弹性合金结构包括 至少一种合金纤维缆。
全文摘要
本发明提供一种具有晶体超弹性合金的机械结构，晶体超弹性合金的特征在于平均晶粒尺寸且其特征在于由大于特性第一临界应力的机械应力输入引起的马氏体相变。超弹性合金的构造具有尺度不大于约200微米且不大于合金的平均晶粒尺寸的合金几何结构特征。该几何特征被设置成接受机械应力输入。
文档编号C22C19/03GK102124130SQ200980131893
公开日2011年7月13日 申请日期2009年7月8日 优先权日2008年7月9日
发明者乔斯·M·圣胡安, 克里斯托弗·A·舒, 陈颖 申请人:麻省理工学院