形状记忆合金缆线的制作方法

专利名称：形状记忆合金缆线的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及缆线、绳索、编织物、和其它包括多个互相协作以实现功能 的线丝的复合材料(此处统称为“缆线”)；更具体地，本发明涉及包括多条形状记忆合 金线丝的致动缆线、自适应结构缆线或阻尼缆线。
背景技术：
使用天然材料和合成材料制成的结构拉伸缆线长期以来已经被开发，从而用于 各种应用。例如，缆线在土木工程建筑中用于电力缆线、桥梁支撑和矿井，在海运和船 舶领域中用于打捞(或救援)/恢复、牵引、船舶下锚、快艇索具和石油平台，在航空领 域用于轻型航空器的控制缆线和宇航员系索，在娱乐领域用于诸如缆车和滑雪吊索。通 常，这些缆线都如下地构成由钢丝螺旋状地缠绕成线束，线束进而围绕芯部盘绕。但 令人担心的，传统缆线通常是静态构件，不具备调整的能力或另外进行修改的优势。

发明内容
本发明关注该问题并提供了一种活性材料缆线，其适于用作致动器、自适应结 构性构件、阻尼器，等等。与相同标称外径的单体杆相比，本发明的缆线提供了更好的 疲劳性能并在弯曲时更灵活，关于后者，本发明的缆线允许更紧凑的缠绕(例如，更紧 的弯曲半径)。SMA线丝的缆线构造很大程度上解决了与生产SMA结构元件相关的几个问题， 并由此为这种生产带来了优势。首要地，应该认识到，将传统SMA材料联接到其本身 一般需要专门的焊接技术和激光加工来生产复杂形状和机械卷边，以便实现到其他结构 的附接。此外，作为单体材料，SMA具有比例方面的问题，包括(1)大截面的条通常 在性能上比线丝差，这是因为难以在材料处理过程中控制通过截面的淬火率和不切实际 的冷处理过程，在SMA线丝中这两个问题得到显著优化。(2)与大条SMA相关联的成 本远远高于和线丝相关联的成本，并且(3)热响应时间与体积表面积比成比例，也就是 说，与条的直径成比例，这导致大的条的响应迟钝。
在本发明的第一个方面，缆线表现为紧凑的、高力度、低成本致动器。此处， 如前所述，缆线构造与同等直径的杆相比，提供了更快的热响应，这是由于缆线具有更 好的表面/体积比。本发明的缆线包括多条纵向互相接合并且协同地起作用的线丝，其 中至少两条线丝包括形状记忆合金材料。本发明的第二个方面是有关基于SMA的缆线，该缆线适于用作阻尼元件。此 处，SMA线丝处于奥氏体相中，其中，能量被吸收并被超弹性地耗散，并且可进一步构 成可变形结构。本发明的第三个方面是关于一种灵巧缆线致动器，该致动器包括前述致动器 缆线；至少一个传感器，该至少一个传感器可操作以检测一个或多个状况；以及控制 器，该控制器通信地耦接到所述至少一个传感器和缆线，并构造成在检测到状况时引起变化。通过参考后续对本发明各种特征的详细说明和其中所包括的例子，本发明可更 容易地被理解。


本发明的(一个或多个)优选实施例将参照按示例性比例绘制的附图被详细描 述，附图中
图1是根据本发明优选实施例的缆线的末端的透视图，其中缆线包括盘绕到线 束中的多条形状记忆合金线丝，并且多个线束围绕芯部盘绕；图2是根据本发明优选实施例的缆线的剖面图，其中缆线包括盘绕到线束中的 多条形状记忆合金线丝和钢丝，并且多个线束围绕芯部盘绕；图3a是根据本发明优选实施例的缆线的正视图，其中缆线具有外部螺旋构造， 限定外部右向普通捻；图3b是根据本发明优选实施例的缆线的正视图，其中缆线具有外部螺旋构造， 限定外部左向普通捻；图3c是根据本发明优选实施例的缆线的正视图，其中缆线具有外部螺旋构造， 限定外部右向顺捻；图3d是根据本发明优选实施例的缆线的正视图，其中缆线具有外部螺旋构造， 限定外部左向顺捻；图3e是根据本发明优选实施例的缆线的正视图，其中缆线具有外部螺旋构造， 限定外部右向混合捻；图4是根据本发明优选实施例的缆线的正视图，其中缆线具有外部螺旋构造， 特别地限定线束的螺旋角；图5a是根据本发明优选实施例的缆线的剖面图，其中缆线包括绕单个芯部盘绕 并具有涂层的多层形状记忆合金线丝以及线丝之间的润滑剂；图5b是根据本发明优选实施例的缆线的剖面图，其中缆线包括绕单个芯部盘绕 的多层形状记忆合金线丝，并且在各层中间具有护套；图6是根据本发明优选实施例的灵巧缆线致动器的正视图，该致动器包括部分 示出的基于SMA的缆线、耦接到芯部的热电元件、操作耦接到该元件的控制器、以及通 信地耦接到缆线外部和控制器的传感器；图7是根据本发明优选实施例的缆线的正视图，其中缆线具有中空管的芯部， 该芯部流体耦接到流体源；图8a是根据本发明优选实施例的滞后回线，其示出了如图3a、图3b所示缆线的 应变与所施加应力的关系，该缆线限定了浅的线/线束螺旋角；图8b是根据本发明优选实施例的滞后回线，其示出了如图4所示缆线的应变与 所施加应力的关系，该缆线限定了较大的螺旋角；和图9是根据本发明优选实施例的球形结构的透视图，该球形结构包括多个形状 记忆合金缆线。
具体实施例方式下述对优选实施例的描述在本质上仅仅是示例性的，决不意图限制本发明，及其应用或使用。参见图1-9，示出了基于形状记忆合金的缆线10的各种构造；然而如 前所述，应该认识到，本发明的有利之处可通过其他类似的几何形式来加以各种利用， 诸如绳、编织物、束等。应该认识到，此处所使用的术语“缆线”包括了这些其他的 几何形式，使得本发明总体上阐述了包括多条纵向接合并协同地起作用的形状记忆合金 (SMA)线丝12的缆线10。根据SMA材料所处的相，缆线10可被用作致动器、自适应结 构性构件、阻尼器、或其他应用，其中，缆线10的前述功能和特性被有利地加以利用。 本发明关于SMA材料进行描述和说明，然而，在本发明的一些方面中，应该认识到其他 等同的展现出类似形状记忆效应的活性材料也可以用于取代SMA或作为其补充。I.活性材料的详述和功能如此处所使用的，术语“活性材料”应被赋予其由本领域的普通技术人员所理 解那样的通常含义，并包括在暴露于或隔绝于激活信号时在基本性质(例如，化学性质 或固有的物理性质)中呈现可逆变化的任何材料或复合物。适用于本发明的活性材料 包括但不限于形状记忆材料(例如，形状记忆合金、铁磁形状记忆合金和电活性聚合物 (EAP)等)。应该认识到，这些类型的活性材料具有快速移位的能力，或记忆其原有形 状和/或弹性模量的能力，通过施加外部的刺激可以随后恢复这些原有形状和/或弹性模 量。因此，从原有形状的变形是一个临时状态。更特别地，形状记忆合金(SMA’ S)通常是指这样的一组金属材料，其展示出 在受到适当的热刺激时具有恢复预先设定形状或尺寸的能力。形状记忆合金能够经历相 变，其中，它们的屈服强度、刚度、尺寸和/或形状作为温度的函数而变化。术语“屈 服强度”是指材料显示出发生了离开应力和应变的比例性的特定偏离时的应力。通常， 在低温或马氏体(无扩散)相中，形状记忆合金处于低对称单斜晶B19’结构中，具有 12个能量相等的晶格对应变体，其可伪塑性变形。当暴露于一些更高的温度时，将转变 成奥氏体相或母相，其具有B2(立方体)晶体结构。这种转变使得合金元件回到其变形 前的形状。仅在受热时表现出此类形状记忆效应的材料称为具有单程形状记忆。那些在 重新冷却时也表现出形状记忆的材料称为具有双程形状记忆行为。形状记忆合金存在于几个不同的依赖于温度的相中。如前所述，这些相中最常 用的是所谓马氏体相和奥氏体相。在下述讨论中，马氏体相通常是指更容易变形的低温 相，而奥氏体相通常是指更坚硬的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时， 合金开始变成奥氏体相。这一现象开始时的温度通常称为奥氏体起始温度As。这一现象 完成时的温度被成为奥氏体结束温度Ap当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，合金开始变成马氏体相，这一现象 开始时的温度通常称为马氏体起始温度Ms。奥氏体转变成马氏体结束时的温度被称为 马氏体结束温度Mf。通常，形状记忆合金在它们的马氏体相时相对更加柔软并更容易变 形，在奥氏体相时则相对更加坚固、坚硬和/或更加刚性。考虑到前述情况，适用于形 状记忆合金的激活信号是热激活信号，其大小足够导致在马氏体相和奥氏体相之间的转 变。根据合金成分和处理的历史过程，形状记忆合金可表现出单程形状记忆效应、固有的(或内因的)双程效应或非固有的(或外因的)双程形状记忆效应。经退火的形状 记忆合金通常只表现出单程形状记忆效应。对低温变形后的形状记忆材料随后进行充分 加热将引起马氏体至奥氏体型的转变，并且材料将恢复至原先的经退火的形状。因此， 仅在加热时观察到单程形状记忆效应。包括了展现出单程记忆效应的形状记忆合金成分 的活性材料不会自动重组，而往往在判定需要使装置重置时要求外部的机械力。固有的和非固有的双程形状记忆材料都具有的特点是在受热从马氏体相到奥 氏体相时具有形状转变，在从奥氏体相冷却回到马氏体相时也具有另外的形状转变。具 有固有的形状记忆效应的活性材料由形状记忆合金成分制造而成，作为上述相变的结 果，其将导致这些活性材料使它们自身自动重组。固有的双程形状记忆行为必须通过加 工来引入到形状记忆材料中。此类过程包括在处于马氏体相中时使材料最大程度地变 形，在受约束或负载情况下加热并冷却，或进行表面改性，例如激光退火、抛光或喷丸 硬化。一旦材料被赋予双程形状记忆效应，则低温态和高温态之间的形状变化一般是可 逆的并能在很多次热循环中得以保持。与之相对的，具有非固有的双程形状记忆效应的 活性材料是复合物或多组分材料，其将具备单程效应的形状记忆合金成分和另一个元件 组合起来，该另一个元件提供恢复力以重组成原来的形状。形状记忆合金在被加热时记忆其高温形式的温度可通过少量变化合金成分和 通过热处理来进行调整。例如，在镍钛形状记忆合金中，其可从高于约100°c到低于 约-100°c来变化。形状恢复过程发生仅几度的范围内，转化的开始和终结可被控制于 一度或两度之内，这取决于所期望的应用和合金成分。形状记忆合金的机械性质在跨越 其转变的温度范围上变化极大，通常为系统提供形状记忆效应、超弹 性效应和高阻尼能 力。适宜的形状记忆合金材料包括但不限于，镍钛基合金，铟钛基合金，镍铝基合 金，镍镓基合金，铜基合金(例如，铜锌合金，铜铝合金，铜金合金，和铜锡合金)，金 镉基合金，银镉基合金，铟镉基合金，锰铜基合金，铁钼基合金，铁钼基合金，铁钯基 合金，以及其它类似的材料。合金可以是双元的、三元的或任何更高阶的，只要合金成 分能表现出形状记忆效应即可，例如，在形状取向、阻尼能力等等中的变化。应该认识到，形状记忆合金在被加热到高于它们的马氏体至奥氏体相变温度 时，其模量将增加2.5倍并且尺寸变化(当在马氏体相中时，从引入的伪塑性变形恢复) 多达8% (取决于预应变的量)。应该认识到，热引发的SMA相变是单向的，因此，一 旦去除所施加的场，则需要偏置力回复机构(例如弹簧)使SMA回到其起始构造。焦耳 加热(或电阻加热)可用于使整个系统电可控。由对SMA加载或卸载所引起的、应力诱发的SMA中的相变(当温度高于入时) 本质上是双向的。也即是说，当SMA处于奥氏体相中时，施加足够的应力将导致SMA 变化到其较低模量的马氏体相，其中，SMA可显示出多达8%的“超弹性”变形。去除 所施加的应力将导致SMA返回其奥氏体相，这样将恢复其起始形状和较高的模量。铁磁形状记忆合金(FSMA’ S)是SMAs的子类。这些材料可具有与传统SMA 材料相似的特性，具有在应力或热量的诱发下在马氏体和奥氏体相之间的转变。此外， 铁磁形状记忆合金是铁磁性的且具有强磁晶态各向异性，这允许外部磁场影响场对准的 马氏体变体的取向/比率(或分数，fraction)。当磁场被移除时，材料可表现出完全双程、部分双程或单程形状记忆。对于部分或单向形状记忆，外部刺激、温度、磁场或应 力可允许材料恢复到其初始状态。完美的双程形状记忆可通过连续的功率供应用于比例 控制。单程形状记忆在轨填充(rail filling)应用中最有用。在汽车应用中，通常通过软 磁芯电磁体产生外部磁场，不过也可采用一对亥姆霍兹(Helmholtz)线圈用于快速响应。电活性聚合物包括那些响应于电场或机械场而具有压电、热电或电致伸缩性质 的聚合物材料。例如，具有压电聚(亚乙烯基氟化三氟乙烯)共聚物的电致伸缩接枝弹 性体。这种组合具有产生可变量的铁电-电致伸缩分子复合物系统的能力。这些可以操 作为压电传感器或甚至是电致伸缩致动器。适于用作电活性聚合物的材料可以包括任何充分绝缘的聚合物或橡胶(或其组 合)，其响应于静电力而变形，或者其变形导致电场的变化。适宜用作预应变聚合物的示 例性材料包括硅树脂弹性体、丙烯酸弹性体、聚亚安酯、热塑性弹性体、包括PVDF的 共聚物、压敏粘合剂、氟橡胶、包括硅树脂和丙烯酸部分(acrylic moieties)的聚合物，等 等。例如，包括硅树脂和丙烯酸部分的聚合物可包括共聚物(其包括硅树脂和丙烯酸 部分)、聚合物混合物(其包括硅树脂弹性体和丙烯酸弹性体)。II.SMA缆线致动器的说明和使用
在本发明的第一个方面中，缆线10可用作柔性致动器和/或自适应结构性拉伸 构件，其能够受驱动地连接至例如褶皱之类的自由主体14，该自由主体14进一步适于连 接到结构性组件(图7)。当受到激活时，缆线10可操作以操纵(例如平移、弯曲和/或 旋转或“扭曲”)主体14以达到期望的位置、取向、构造或形状。为此，缆线10构造 成关于预想的功能和主体质量来产生足够的致动力。此处，应该认识到，基于所采用的 活性材料，实现所述致动力所必需的SMA线丝12的规格、截面积、长度和/或其它构造 可容易地被本领域技术人员所确定，因而，本文并不对选择标准进行详细讨论。在该构造中，SMA线丝12处于标准的马氏体相中，以便被热激活；也就是说， 线丝材料被选择成具有高于室温(或预期工作温度)的转变温度。这样，线丝12耦接到 热信号源16(图6和图7)，热信号源可操作以产生和输送足以激活材料的信号。在其他 实施例中，应该认识到，信号可以是电的、应力相关的、磁的，等等，这取决于所采用 的特定活性材料。在所示实施例中，线丝12通过硬线(图6)、流体流(图7)、或被动 地通过环境热能(例如，来自太阳或毗邻的发热系统)与源16耦接。还应该认识到，线 丝12可以是SMA和其它耐用材料(例如钢)的混合；可以是超弹性和形状记忆SMA的 混合；或最终，可以在缆线10上具有可变的SMA组分，以补偿线丝应变、线丝长度和 跨截面上的温度这些方面中的差异。转向缆线10的结构构造，在所示实施例中示例性地描述了各种捻形式和截面形 式，其中具有不同的线丝组成的功能性分级的截面是可能的。图1和图2示出了基本的 缆线设计，其中多条线丝12绕着芯部18螺旋地缠绕，以形成线束20。芯部18支撑线束 20的线丝成为标称的圆形截面(图2和图5)。然后，多个线束20可以绕着另一轴向线 束20或细长的柔性构件被螺旋地缠绕，该细长的柔性构件作为缆线芯部18(图1和图2) 而起作用。应该认识到，螺旋的线束20是缆线10的主要负载承受元件。缆线10中的线丝可以只包括SMA线丝12或可以进一步包括非SMA线丝22 (图 2)。可包括非SMA线丝22以提供增加的结构完整性，充当回复弹簧，或以另外的方式调整缆线10的性能。至于结构完整性，应该认识到，许多的线丝12、22和线束20并行 地支撑拉伸负载，以便提供冗余度和更宽容的失效模式。应该知道，SMA线丝12的直径可以是一致的或可变的，但这些线丝协同地构造 成产生所需要的致动力，而线丝12的(一个或多个)长度构造成实现致动器10的期望行 程。至于后者，还应该认识到，例如，由沿着缆线长度在不同位置处连结的(splicing)电 的、热的和/或机械的连接，或由不同的绝对线丝长度所提供的不同活性长度，可以用 于实现有差别和成比例的致动。此外，SMA线丝12可包括线10的纵向段，其还具有常 规的纵向段。优选地，线丝12、22通过塑性变形至与期望几何形状一致的螺旋形基准构造， 以避免由于失效线丝的回弹而形成毛边。然而，在优选实施例中，SMA线丝12可具有非 螺旋状的永久形状，从而使得当致动时，随着线丝12尝试达到被激活的非螺旋状轮廓， 导致缆线10经历线性和/或转动的移位。更特别地，在如图(图4和图5)所示的标准缆线构造中，线束18中线丝12的 每一层22(包括外部线丝12)都具有一致的螺旋构造，其限定了螺旋角α和捻的方向 (然而，再次注意，本发明包括其它几何形式，例如直捆、编织物、织绳等)。线束20 中的线丝12、22的螺旋结构相对于给定层22中的线束20的线丝的螺旋结构可沿相反的 方向(普通捻)或相同的方向(顺捻)来加以放置，这影响到线和缆线的轴线之间形成的 角度。如图3a-e所示，例如，外部线丝/线束的螺旋构造可呈现右向普通捻、左向普通 捻、右向顺捻、左向顺捻、或右向混合捻。应该认识到，螺旋角和捻有助于确定缆线10 的轴向刚度、存储的弹性能量、弯曲/扭曲顺从度、外部光滑性、耐磨性以及冗余度。 例如，应该认识到，螺旋角直接与缆线10的总行程成比例，并与其屈服负载成反比。
芯部18可以是轴线，其中，只有线丝12的互相缠绕的层构成了线束20;由 一条或多条线丝12、22或线束20自身(图2)构成；或由非活性单体构件制成。芯部 18由具有适宜柔性和可压缩性的材料形成，其与其他因素一起使得缆线10能够实现最小 的卷绕半径并具有应变适应性。例如，在本发明中，芯部18可由橡胶、泡沫材料、铝、 铜、塑料、棉、另外的处于马氏体相或奥氏体相中的形状记忆合金、或上述的组合、以 及其它类似材料形成。在优选实施例中，芯部18还具有加热和/或冷却元件，其构造成致动或耗散来 自缆线10中剩余(一个或多个)线束或(一条或多条)线丝的热量。在这种构造中，芯 部18由导热材料形成，并与源16热耦接。例如，如图6所示，芯部18可以与热电元件 16a热耦接。当将要发生焦耳加热时，选择芯部18并与源16的电压范围协作，以提供期 望的电阻以提高功率效率；例如，可包括至少一条镍铬合金线丝。可替换地，芯部18可 具有限定了内部空间24的柔性导管，其中，空间24与源16流体耦接，可操作以将加热 的或冷却的流体引导至空间24中(图8)。优选的缆线10进一步包括线间元件，其纵向地与线丝12的至少一部分接合，居 于线丝12的至少一部分之间，并可操作以改变线丝12的至少一部分之间的互相作用。尤 其是，该元件可以是一种线丝表面状况(例如，纹理)、分隔件26(图5b)、润滑剂28(图 5a)、护套30 (图5b)、或线涂层32 (例如作为翅片的碳纳米管等)，其促进了致动，提升 了性能，保护了缝隙间的缆线部件、或另外还延长了缆线10的寿命。例如，缆线10可进一步包括凡士林润滑剂28以减少相邻线丝12、22 (图5a)之间的摩擦系数。在单独的线束20和/或线丝12、22将被分别致动时，润滑剂28优选地是热绝缘和/或电绝缘的。 相反地，为了使得能够从单个线束20或线丝12、22(例如，芯部)更均勻的致动，润滑 剂28是导热和/或导电的。除润滑剂28之外或替代润滑剂28，线丝12、22可被涂覆或处理，以具有期望 的表面状况(图5a)。例如，可以采用涂层32以修改(例如增强)疲劳/热-机械界面 性质。此外，表面状况可构造成修改相邻线丝12之间的摩擦系数。可替换地，应该认 识到，护套30(例如，聚四氟乙烯(Tefl0nTM)66)可用于覆盖单独的SMA线束20或线丝 12、22 (图5b)。应该认识到，通过更改线束/线丝到线束/线丝的摩擦贡献，缆线10的 响应可被调整。进一步，涂层32可用于修改线丝12的辐射率或其他传热性质。最后， 应该认识到，敏感的(例如，光敏感的、EMF敏感的，等等)涂层32可被纵向接合并与 合适的(例如，光纤等)芯部18—起使用，使得光或其它介质的经过导致涂层32产生热 能。如图5b进一步所示，例如，可提供附接到芯部18和/或贯穿线束20的纵向分 隔件26，以通过修改或防止线丝的相互作用来帮助或阻碍加热或冷却。在操作中，缆线10优选为灵巧缆线致动器系统100的一部分，该系统进一步包 括控制器102和至少一个传感器104，控制器102在源16和SMA线丝12中间并耦接至 这两者，至少一个传感器104通信地耦接到控制器102 (图6)。优选的控制器102被可编 程地构造成选择性地导致线丝12被暴露于信号。例如，控制器102可构造成在收到预定 需求后激活线丝12并持续预定时间段(例如，10秒)。控制器102优选构造成单独控制 每一个线丝12，这使得能够改变致动力。在优选实施例中，系统100包括冷却装置，并 且控制器102操作地耦接到冷却装置(未示出)，该冷却装置可操作以降低线丝12的温 度，以便加速线12的去激活。传感器104可操作以探测感兴趣的状况(例如，应变、温度、位移、电阻、电 流、电压、或力)，并通信地耦接到控制器102，并且构造成向控制器102发送数据信 号。控制器102和传感器104协同地构造成当探测到某一状况时或者当确定了不相符的状 况时(例如通过进一步与预定阈值进行比较)，确定何时发生了致动情况或去激活情况。 在优选模式中，控制器102可构造成在通过传感器104探测到缆线10中的温度或应变超 过SMA线丝12的安全操作范围的情况下使缆线10去激活。应该认识到，传感器104和 缆线10可以一体形成。例如，缆线10可具有牢固固定的外部涂层32，形成外部涂层32 的材料的电阻与所经历的温度和/或应变成比例。因此，通过监测电阻，就可以确定缆 线10中的温度和/或应变。可采用缆线10来提供灵巧的结构性构件，其适于修改整个结构的局部和/或全 局的几何形状和/或刚度，例如关于预加应力混凝土梁；或适于提供有价值的信息，例 如，当用于内置的温度感测时。III.SMA缆线阻尼器的说明和使用在本发明的另一个方面中，缆线10可用作阻尼元件或能量吸收元件，其例如可 用于振动抑制和土木工程结构的地震保护。在这种构造中，SMA线丝12处于标准奥氏 体相，也就是说，线丝12具有低于室温或预期操作温度的转变温度。这样，线丝12 —般展示出超弹性的行为，其中，术语“超弹性”是材料指在机械负载/卸载循环中具有 从应变恢复的能力，通常经由滞后回线(hysteresis loop)(图8a、图8b)。另外，阻尼缆 线10的构造类似于前述的致动器缆线10的结构性构造(图1-7)。在该构造中，多条缆线10可被用于构成可调节的能量吸收结构200，例如可伸 缩的壳或球(图9)。在这个意义上说，应该认识到，该结构(例如，球)的挤压特性可 通过激活被改变，使得SMA缆线10被用于调整坍塌响应。结构200的几何和缆线10中 的超弹性变形相互协作，以更有效地吸收和耗散能量。更特别地，如图8a、图8b所示，应该认识到，随着超弹性缆线10在奥氏体相中 被初始地拉伸，从而被致使转变至马氏体相，之后进一步在马氏体相中被拉伸，超弹性 缆线10吸收能量；当负载被释放时，缆线10通过在马氏体相中收缩，转变回奥氏体相， 并进一步收缩回其母奥氏体形状，从而释放能量。能量的不同在于由图8a所示的回路所 界定的区域，其就是由该系统所提供的能量耗散。在图8b中，具有较低屈服负载但具有 较高应变能力的缆线产生了相似的滞后回线和能量耗散量。在一个实施例中，当期望能量吸收和耗散时，(一个或多个)结构200可以是可 展开的，而在其他时间则保持于存储空间(未示出)中。结构200优选地储存在收缩状 态(滞后回线的顶部)，并在展开时扩展至较大的能量吸收构造。此外，展开可被调整， 从而使处于展开的结构200可以吸收特定的最大能量；例如，当结构200可以是适于在实 际的车辆缓冲器之前作为伪缓冲器的罩的情形中，该结构可基于预期冲击事件的严重程 度而可变地可展开。
作为阻尼器，应该认识到，缆线10具有广泛的应用，包括作为负载传动装置的 震动吸收或抽动限制缆线。此处，例如，缆线10可用于牵引拖车(未示出)，或使用起 重机(也未示出)举起重的负载。在刚加载时，SMA材料优选地保持于点P，沿着滞后 回线刚好在转变之前，从而使得任何附加的应变(例如，来自快速定向(或回转))可操 作，以便立刻开始使材料转变至马氏体相。如果快速定向在转变完全发生前停止，则应 认识到，能量耗散将与不完全的回线所到达的深度成比例。还应该认识到，缆线10可用作远程柔性致动(例如磨床等)的动力传动元件， 或带张紧器。关于后者，带(例如，链条等)驱动器(未示出)可包括至少一个大号的 马氏体SMA段，例如由环形缆线10形成。该段被加热以使其缩小至工作状态。其可以 在以后被再加热以占据驱动器的其他部分中的松弛。可替换地，该段可处于其超弹性的 奥氏体相。超弹性SMA段可用于保证即使在长期使用后，带中仍具有恒定的张力；应 该认识到，带由于磨损等会变得松弛，从而使带中的张力减少，拉伸的SMA段将会收缩 回去，以减少松弛并且潜在地保持带的张力恒定。在另一个例子中，至少一个，更优选地，多个交织的超弹性缆线10可用于在撞 击事件的过程中耗散能量，在一个实施例中可用于防弹背心。此处，再一次地，缆线10 优选预应变以便保持成刚好位于滞后回线的转变点之前。受到冲击时，子弹或其它射入 物引起进一步的局部应变和冲击波遍及整个背心散布。在另一实施例中，缆线10可形成 车辆(未示出)的结构性构件，并且被取向和构造成以便在撞击时吸收能量。也就是说， 随着缆线10经历冲击产生的波动应力波，并总体上随着缆线10被致使承受由外来物体的 总体冲击和弹回所产生的张性加载/卸载，能量被增量地吸收和耗散。最后，应该认识至|J，在超弹性模式中，SMA可提供如下益处，例如，用于保持结构(例如，桥梁、通信 塔、拉绳等)的稳定性，以及作为用于绳索或与座椅和悬挂柱组合在一起的振动支架/隔 离器。在后面的情况中，线丝的摩擦也有助于总的能量耗散，并且超弹性回路被调整以 使耗散最大化。最后，应该认识到，结构200可进一步包括马氏体(或形状记忆)SMA线丝12， 其构造成在被激活时改变结构200的轮廓或几何形状，从而使得结构200的能量吸收和耗 散能力得到增强。上述说明使用了示例来公开本发明(包括最佳模式)，也使本领域技术人员可以 实施和应用本发明。本发明的专利范围由所附权利要求限定，并可能包括本领域技术人 员采用的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的文字表述相同的结构元件，或 者它们包含了与权利要求的文字表述并无实质性不同的等同结构元件，那么这些其它示 例也被认为是在所附权利要求的范围之内。此外，术语“第一” “第二”，和诸如此类，在本文中并不表示任何顺序、数 量、或重要性，而只是用来使一个元件区分于另一个，本文中的术语“该”、“一”、 “一个”和“一种”(以及诸如此类表述)均不用于表示数量限制，而只是用于表示至 少一个所参考的物体(或项目)的存在。所有指向给定部件或测量结果的相同数量的范 围都包括端点值，并可以独立地组合。
权利要求
1. 一种缆线，其适于用作致动器、自适应结构性构件、或阻尼器，所述缆线包括多条纵向互相接合并协同起作用的线丝，其中，所述线丝中的至少两条包括形状记忆合金材料，所述形状记忆合金材料在暴露于和/或隔绝于激活信号时可操作以经历可 逆变化。
2.如权利要求1所述的缆线，其特征在于，所述至少两条线丝处于正常的马氏体相 中，并作为所述变化的结果而产生致动力，所述致动力可操作以导致所述缆线收缩、弯 曲和/或扭曲。
3.如权利要求2所述的缆线，其特征在于，所述线丝的一部分可操作以产生对抗所述 致动力的回复力。
4.如权利要求1所述的缆线，其特征在于，所述线丝是弹性的，并且所述形状记忆 合金材料处于正常的奥氏体相中，以便在暴露于和/或隔绝于应力激活信号时被引起变 化。
5.如权利要求1所述的缆线，其特征在于，所述至少两条线丝具有不同的属性，以便 在暴露于或隔绝于所述信号时非同时地和/或非一致地变化。
6.如权利要求5所述的缆线，其特征在于，所述不同属性选自基本由以下组成的组 形状记忆合金材料的不同成分、不同的直径、以及不同的预应变。
7.如权利要求1所述的缆线，进一步包括线间元件，所述线间元件纵向地与所述线丝 的至少一部分接合，居于所述线丝的至少一部分之间，并可操作以改变所述线丝的至少 一部分之间的互相作用。
8.如权利要求7所述的缆线，其特征在于，所述元件选自由以下组成的组线丝表 面纹理、分隔件、润滑剂、护套、和线丝涂层。
9.如权利要求7所述的缆线，其特征在于，所述至少两条线丝都处于所述马氏体相 中，且所述元件是不导热和/或不导电的，以便使所述至少一部分热绝缘和/或电绝缘。
10.如权利要求1所述的缆线，其特征在于，所述线丝的一部分具有芯部，且其余的 线丝纵向接合到所述芯部的外部。
11.如权利要求10所述的缆线，其特征在于，所述芯部由选自以下组成的组中的材 料形成镍铬合金、橡胶、硬泡沫材料、铝、铜、塑料、棉、光纤材料、和形状记忆合金ο
12.如权利要求10所述的缆线，其特征在于，所述至少两条线丝都处于正常的马氏体 相中，具有不同的活性长度，并纵向接合到所述芯部的外部，以便在不同的纵向点处产 生致动力。
13.如权利要求10所述的缆线，其特征在于，所述芯部是中空的，以便限定内部空 间，且所述缆线进一步包括流体源，所述流体源连通地耦接到所述空间并构造成输送被 加热或被冷却的流体至所述空间中，以便分别在处于所述马氏体相时热激活所述至少两 条线丝，或在处于所述奥氏体相时从所述至少两条线丝中耗散热能。
14.如权利要求10所述的缆线，其特征在于，所述芯部热耦接到热电元件，且所述热 电元件构造成加热和/或冷却所述芯部。
15.如权利要求10所述的缆线，其特征在于，所述其余的线丝的至少一部分沿着第一 方向绕所述芯部的外部缠绕，以便具有限定螺旋角和第一外部线束表面的螺旋结构。
16.如权利要求15所述的缆线，其特征在于，所述其余的线丝的一部分进一步沿着第 二方向绕所述第一表面缠绕，以便具有限定第二螺旋角的第二螺旋结构，并且所述第一 方向或角分别与所述第二方向或角不同。
17.一种能量吸收和耗散系统，包括可变形的结构，其至少部分地由至少一条缆线形成，所述缆线进一步包括多条纵向互相接合的线丝，其中，至少两条线丝包括形状记忆 合金材料，以便在暴露于和/或隔绝于激活信号时被引起变化。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述结构包括可伸缩的壳、震动吸收器、牵引 缆线、带或链条驱动段、防弹背心、或拉绳。
19.如权利要求17所述的系统，进一步包括存储空间和展开致动器，所述结构在所述 存储空间中被保持于变形的状态，所述展开致动器构造成选择性地从所述空间中展开所 述结构。
20.—种灵巧缆线致动器，包括缆线，其由多条纵向互相接合并协同起作用的线丝形成，其中，所述线丝中的至少 两条包括形状记忆合金材料，所述形状记忆合金材料在暴露于和/或隔绝于激活信号时 可操作以经历可逆变化；至少一个传感器，其可操作以检测一个或多个状况；以及控制器，其通信地耦接到所述至少一个传感器和所述缆线，并构造成在检测到所述 状况后，引起所述变化和/或控制所述变化的程度。
21.如权利要求20所述的致动器，其中，所述传感器选自基本上由以下组成的组 应变、温度、位移、电阻、电流、电压、或力的测量仪器。
22.如权利要求20所述的致动器，其中，所述缆线和传感器是一体形成的。
23.如权利要求20所述的致动器，其中，所述控制器单独地耦接到所述至少两条线丝 中的每一条，以便分别地导致其变化。
全文摘要
一种适于用作致动器、自适应结构性构件或阻尼器的缆线，该缆线包括多条在纵向互相接合并协同地起作用的形状记忆合金线丝。
文档编号H01B13/00GK102017022SQ200980116301
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月4日 优先权日2008年3月7日
发明者A·L·布朗, B·里德伦, C·P·亨利, C·S·纳穆杜里, J·A·肖, J·C·乌利尼, J·H·阿斯, K·A·斯特罗姆, N·D·曼凯姆, N·L·约翰逊, P·E·克拉杰夫斯基, P·W·亚历山大, R·布拉马约苏拉, R·斯蒂芬森, S·M·奈克, W·R·罗杰斯, X·高 申请人:密执安大学评议会, 通用汽车环球科技运作公司