专利名称：基于活性材料的气流控制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制交通工具气流的设备，更具体地说，涉及用于控制交通工具气流的设备，所述气流可根据不同条件通过活性材料的变化而被调整，所述调整通过活性材料在形状、尺寸和/或刚性变化而进行。
背景技术：
在交通工具上方、下方、周围和/或穿过交通工具的气流可以影响交通工具性能的许多方面，包括交通工具拖曳力、交通工具提升力和下降力、交通工具动力系和空调系统的冷却/热交换。交通工具拖曳力的减小改进了燃料经济性。交通工具提升力和下降力可以影响交通工具稳定性和操控。如本文中所用，术语“气流”是指相对于交通工具外表面或者交通工具元件表面，在交通工具部件周围或者穿过交通工具部件的空气运动，沿着所述表面，外部气流可被导向，如发动机舱中的表面。术语“拖曳力”是指由与流体中运动物体重心移动相反方向的摩擦所引起的阻力。如本文中所用的术语“提升力”是指相对于交通工具的气流在竖直向上方向作用于交通工具所产生的合力的分量。如本文中所用的术语“下降力”是指相对于交通工具的气流在竖直向下方向作用于交通工具所产生的合力的分量。
控制相对于交通工具的气流的交通工具制造领域已知的设备通常具有预定的、非可调的几何形状、位置、取向和刚性。这种设备通常不随着行车状况变化而适应，因此相对于交通工具的气流不能被调整以较好地适应变化的行车状况。另外，目前交通工具下部的气流控制设备可减少离地距离。交通工具设计者面临着这样的挑战控制气流同时保持足够的离地距离以避免与停机坪、多层停车库、坑洼、路缘等接触和受到损害。进一步地，恶劣天气，如深雪泥或降雨，可损害该设备和/或妨害交通工具的操控。
目前固定的气流控制设备可通过将该设备固定和/或连接到液压、机械、电气致动器和/或类似物而得到调节。例如，一些交通工具扰流器可根据致动器信号调整位置和/或取向。然而，这种致动器通常需要额外的组件如活塞、马达、电磁线圈和/或类似用于激活的机构，其增加了该设备的复杂性，常导致故障模式、维修和生产成本的增加。因此，存在着对在不同行车状况下控制交通工具气流的可调节的设备的需要，其提高了设备的简单性同时减少了设备问题和故障模式的数目。
发明内容
在本文中公开了一种用于交通工具的气流控制设备，即空气导流器。该空气导流器包括具有至少一个表面的主体部分，和与该至少一个表面有效连通的活性材料，该活性材料根据激活信号有效改变至少一种属性，其中跨越该空气导流器的气流随着该活性材料至少一种属性的变化而改变。
还公开了一种控制交通工具气流的系统，其包括交通工具的固定表面；和固定连接到该固定表面的空气导流器，该空气导流器包括具有至少一个表面的空气偏转主体，与该至少一个表面有效连通的活性材料，该活性材料根据激活信号有效改变偏转主体的特征，和与该活性材料功能连通的激活设备，该激活设备是可操作的以选择性地提供该激活信号，该激活信号引发该活性材料的至少一种属性的变化，其中该活性材料的至少一种属性的变化改变该空气偏转主体的特征。
还公开了一种控制交通工具气流的方法，将气流控制设备置于交通工具固定表面上，该气流控制设备包括具有至少一个表面的主体，和与该至少一个表面有效连通的活性材料，该活性材料根据激活信号有效改变至少一种属性；当满足和/或超过预定的交通工具状况时，选择性地引入激活信号；和使该活性材料的至少一种属性从第一至少一种属性变化到第二至少一种属性。
通过下列附图和详细说明举例说明上述及其他特征。
现在参考附图，其意指示范性实施方案，并且其中同样的元件标以同样的数字。
图1是根据本发明的气流控制设备的透视图；图2a和2b是根据本发明的在表面上具有活性材料的气流控制设备的透视图；图3a是根据本发明的实施方案的具有嵌入在主体表面内的活性材料的气流控制设备的透视图；图3b是根据本发明的实施方案的具有嵌入在主体内的活性材料的气流控制设备的透视图；图4是根据本发明的实施方案的其中活性材料外部连接到气流控制设备表面的气流控制设备的透视图；图5是根据本发明的实施方案的其中活性材料外部连接到气流控制设备表面的气流控制设备的透视图；图6显示用于图5的气流设备的管的端视图；图7显示根据另一个实施方案的由用于气流设备的活性材料形成的扭簧的端视图；图8描述了根据另一个实施方案的气流控制设备；图9描述了根据另一个实施方案的气流控制设备；图10描述了根据另一个实施方案的气流控制设备。
具体实施例方式
本发明提供一种用于交通工具的气流控制设备，其中该气流控制设备能够可逆地改变形状、尺寸、取向、位置和/或刚性，该变化通过激活活性材料而进行，允许该气流控制设备适应于不同的行车状况。使用如本文中所述的活性材料有利地提供一种重量轻的、固有坚固的和比现有外部致动装置复杂性低的致动机构。此外，在本文中所述的气流控制设备还是低成本的并且可容易适应设计，其可由对现有结构有限的改变而得到整合。如本文中所用，术语“交通工具”包括任何受到气流的结构，包括但不意欲受限于，汽车、公路上的牵引车、船、摩托车、飞机、雪橇、太空船等。
如图1所示，用于交通工具的气流控制设备(在本文中还称作空气导流器)，通常由参考数字10表示，包括具有至少一个表面13、14、15的主体部分12和与至少一个表面13、14、15和/或主体12有效连通的活性材料16，该活性材料16具有第一至少一种属性，其根据激活信号有效变化到活性材料16。活性材料16的属性和其变化指的是活性材料16的特性，例如但不限于，形状、尺寸、刚性、其组合等。活性材料16的至少一种属性的变化影响气流设备10的各个特征，例如但不限于，形状、尺寸、位置、取向、刚性、其组合，和/或类似特征，导致跨越设备10的气流的变化。如此，设备10是可调节的，跨越设备10的气流在不同行车状况下随着活性材料16的至少一种属性的变化而改变。
用汽车举例来说，气流控制设备10可以是任何的各种结构，包括但不局限于，前扰流板、翼板外接板、侧裙板槽(side skirt crib)、驾驶室、后扰流器和后挡板扰流器；用于通过散热器、其他换热器、发动机舱在传动系和传动装置上控制气流的通风窗；和用于顶板盖、活动顶篷、通风窗口的空气导流器和导风板；和类似结构。示范性的前扰流板包括在交通工具底盘前部下面的车身外壳的突出物，其起作用以减少交通工具下面的空气湍流和拖曳力的量，以及将冷却空气引导至散热器。进一步地，许多气流控制设备，尤其空气导流器，改进了交通工具稳定性和增加了油耗定额。例如，在低速时，前扰流板可被活动地放置，使得提供额外的离地距离，如可能期望清除路面减速突起，提供停车用路缘间距等。在较高速时，前扰流板可被活动地放置以将输入气流转移入冷却系统，或在交通工具周围将空气转移以改进空气动力学、改进交通工具稳定性、提高油耗定额等。应该明白的是设备10可能是交通工具通风窗系统的一部分和/或交通工具的独立组件。
主体12(在本文中还称作空气偏转主体)可能是任何的各种材料和结构，其能够使气流设备10起作用，并且进一步地包含至少一个表面13、14或15。在一个实施方案中，主体12由柔性材料组成，其显现足够的柔性以当活性材料16改变至少一种属性时作为可调节的气流控制设备运转。在另外的实施方案中，主体12可能包含一种或多种活性材料16。该活性材料16可根据激活信号改变至少一种属性，并且当该激活信号中断时复原到该至少一种属性的初始状态，或者，对于那类当该激活信号中断时不自动复原的活性材料来说，可使用替代的装置以将活性材料复原到其初始状态，如将在本文中详细论述的。如此，该气流控制设备10起作用以按照变化着的行车状况而调整，同时提高了设备的简单性并且减少故障模式的数目。
活性材料16包括那些可根据激活信号在刚性性能、形状和/或尺寸方面显现变化的组合物，对于不同的活性材料16，所述激活信号可采取电场、磁场、热场和类似场的类型。优选的活性材料16包括但不局限于形状记忆材料类，和其组合。形状记忆材料泛指能够记忆其初始的至少一种属性如形状，其随后可通过施加外界刺激而被恢复的材料或者组合物，如将在本文中详细论述的。因而，初始形状的变形是暂时性状态。如此，形状记忆材料可根据激活信号变化为受训(trained)的形状。示范性的活性材料包括形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)、电活性聚合物(EAP)、铁磁性SMA、电流变流体(ER)、磁流变流体(MR)、介电弹性体、离子型聚合物金属复合物(IPMC)、压电聚合物、压电陶瓷、上述材料的各种组合，等等。
形状记忆合金(SMA)泛指一类金属材料，当受到合适的热刺激时，其显示出能够返回到某种预先限定的形状或者尺寸。形状记忆合金能够经受相变，其中其屈服强度、刚性、尺寸和/或形状作为温度的函数而改变。术语“屈服强度”是指材料显现出应力和应变比例指定偏差时的应力。通常，在低温或者马氏体相时，形状记忆合金可塑性变形，而当暴露于某一较高温度时，会转变为奥氏体相或者母相，返回到其变形前的形状。仅仅当加热时显现这种形状记忆效应的材料被称为具有单向形状记忆。当再冷却时还显现形状记忆的那些材料被称为具有双向形状记忆性能。
合适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-铂基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金等。合金可是二元的、三元的、或者任何更高级的，只要合金成分显现形状记忆效应，例如，形状取向、阻尼容量等的变化。例如，镍-钛基合金是市售可得的，获自Shape Memory Applications，Inc.，商标为NITINOL。
形状记忆聚合物(SMP)在本领域中是已知的，并且泛指一类聚合物的材料，当受到合适的热刺激时，其显示出能够返回到某种预先限定的形状。形状记忆聚合物能够经受相变，其中其形状作为温度的函数而改变。通常，SMP具有两个主要链段，硬链段和软链段。预先限定的或者永久性形状可以通过熔融或者在高于最高热转化的温度下加工该聚合物然后冷却到低于该热转化温度而固化。最高热转化通常是该硬链段的玻璃态转化温度(Tg)或熔点。暂时性形状可以通过将该材料加热到高于软链段的Tg或转化温度、但低于该硬链段的Tg或熔点的温度而固化。当在软链段转化温度加工该材料并随后冷却固定该形状时，固化了该暂时性形状。通过将该材料加热到软链段的转化温度之上，该材料可以被复原到永久性形状。
合适的形状记忆聚合物包括热塑性塑料、热固性材料、互穿网络、半互穿网络或混合网络。该聚合物可以是单个聚合物或聚合物的混合物。该聚合物可以是直链或支链的带有侧链或树枝状结构元素的热塑性弹性体。形成形状记忆聚合物合适的聚合物组分包括但不局限于聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚(氨基酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烷基、聚丙烯酰胺、聚(亚烷基)二醇、聚亚烷基氧、聚对苯二甲酸亚烷酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚卤乙烯、聚酯、聚交酯、聚乙醇酸交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯纤维和其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的实例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(异丁烯酸异丁脂)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(甲基丙烯酸异癸酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸异丙酯)、聚(丙烯酸异丁酯)并且聚(丙烯酸十八烷酯)。其他适合的聚合物的实例包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十八烷基乙烯醚)乙烯乙酸乙烯酯、聚乙烯、聚(氧化乙烯)-聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚己酸内酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片烷基-多面体寡聚倍半硅氧烷)、聚氯乙烯、氨基甲酸乙酯/丁二烯共聚物、聚氨酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等。
该活性材料16也可包含一种电活性聚合物如离子型聚合物金属复合物、导电聚合物、压电材料等。如本文中所用的，术语“压电”用于描述一种材料，当施加电压电势时，其机械地变形，或者相反，当机械地变形时，其产生电荷。
合适的MR弹性体材料包括但不意欲受限于包括铁磁性或顺磁性粒子的悬浮体的弹性聚合物基质，其中粒子是上述的。合适的聚合物基质包括但不局限于聚-α-烯烃、天然橡胶、硅氧烷、聚丁二烯、聚乙烯、聚异戊二烯等。
电活性聚合物包括根据电场或机械载荷显示压电、热电、或电致伸缩性能的那些聚合物材料。这些材料通常使用屈从电极，其能够使高分子膜根据所施加电场或机械应力在共面方向扩展或收缩。实例是具有压电聚(偏二氟乙烯-三氟-乙烯)共聚物的电致伸缩-接枝弹性体。这种组合能够生产不同量的铁电性-电致伸缩分子复合系统。这些可作为压电传感器或甚至电致伸缩致动器而运转。
适于用作电活性聚合物的材料可包括任何基本上绝缘的聚合物或橡胶(或其组合)，其根据静电力变形或其变形产生电场的变化。适于用作预加应变的聚合物的示范性材料包括硅氧烷弹性体、丙烯酸系弹性体、聚氨酯、热塑性弹性体、包括PVDF的共聚物、压敏粘合剂、含氟弹性体、包括硅氧烷和丙烯酸部分的聚合物等。包括硅氧烷和丙烯酸部分的聚合物可包括例如，包括硅氧烷和丙烯酸部分的共聚物、包括硅氧烷弹性体和丙烯酸系弹性体的共混聚合物。
用作电活性聚合物的材料可基于一种或多种材料性质选择，如高电击穿强度、低弹性模数(对于或大或小的变形)、高介电常数等。在一个实施方案中，选择聚合物使得其弹性模量至多大约100MPa。在另一个实施方案中，选择聚合物使得其最大致动压力为约0.05MPa-约10MPa、优选约0.3MPa-约3MPa。在另一个实施方案中，挑选聚合物使得其介电常数为约2-约20、优选约2.5-约12。本发明不意欲受限于这些范围。理想地，具有比上述给定范围更高介电常数的材料将是所希望的，如果该材料兼备高介电常数和高介电强度的话。在很多情况下，电活性聚合物可以以薄膜形式制造和实现。适用于这些薄膜的厚度可低于50微米。
因为电活性聚合物可在高应变下挠曲，连接到该聚合物的电极也应该挠曲而不损害机械或电气性能。通常，适于使用的电极可以是任何形状和材料，条件是它们能向电活性聚合物提供合适的电压，或从电活性聚合物接受合适的电压。该电压可以是恒定的或者随时间变化。在一个实施方案中，该电极粘附于聚合物的表面。粘附于该聚合物的电极优选是屈从的并且顺应聚合物变化的形状。相应地，本发明可包括屈从电极，其顺应其所连接到的电活性聚合物的形状。电极可仅被施加于电活性聚合物的一部分并且根据其几何形状限定活性区域。适于于本发明使用的各类电极包括结构化电极(structured electrode)，其包括金属痕量和电荷分布层；纹理化电极(textured electrode)，其包括超出平面变化的尺寸、传导性油脂如碳油脂或银油脂、胶悬体、高纵横比传导性材料如碳原纤和碳纳米管、和离子传导性材料的混合物。
用于本发明电极的材料可以不同。用于电极的合适的材料可以包括石墨、炭黑、胶悬体、包括银和金的薄金属、银填充和碳填充的凝胶和聚合物、和离子或电子导电聚合物。当然某些电极材料可与特定聚合物适用，但未必适用于其它聚合物。举例来说，碳原纤与丙烯酸系弹性体聚合物适用，然而不适用于硅氧烷聚合物。
活性材料也可包含压电材料。此外，在某些实施方案中，压电材料可作为致动器装配，以提供快速展开。如本文中所用的，术语“压电”用来描述一种材料，当施加电压电势时，其机械地变形(改变形状)，或相反地，当机械地变形时，其产生电荷。优选地，压电材料被置于柔性金属或陶器薄板的条带上。该条带可以是单压电晶片(unimor ph)或双压电晶片。优选地，该条带是双压电晶片，因为双压电晶片通常比单压电晶片显示更大的位移。
一种类型的单压电晶片是由外部粘合到柔性金属箔或条带的单个压电元件组成的结构，由压电元件当用变化的电压激活时，其被刺激，并且由于其对抗压电元件的运动而导致轴向的翘曲或挠曲。单压电晶片的致动器运动可以通过收缩或膨胀进行。单压电晶片可以显示高达约10％的应变，但通常仅能承受相对于单压电晶片结构的总尺寸的低负荷。一种预加应力的单压电晶片的工业实例被称为“THUNDER”，其是以下单词的缩写薄层复合单压电晶片铁电性驱动器和传感器(THin layercomposite UNimorph ferroelectric Driver and sEnsoR)。THUNDER是由压电陶瓷层(例如，锆钛酸铅)构成的复合结构，锆钛酸铅电镀在压电陶瓷层的两个主面上。在至少陶器层的一个侧面上，通过粘合剂层将金属预加应力层粘附于电镀表面上(例如，“LaRC-SI”，由国家航空和航天局(NASA)开发)。在制造THUNDER致动器期间，陶器层、粘合剂层和第一预加应力层同时被加热到高于粘合剂熔点的温度，然后随后使其冷却，从而使粘合剂层再凝固和固化。由于金属预加应力层和粘合剂层比陶器层的热收缩系数更高，在冷却过程期间该陶器层应力变形。此外，层压板材料比陶器层的热收缩率更大，该陶器层变形为通常具有凹面的弓形形状。
与单压电晶片压电设备相反，双压电晶片设备包括夹在两个压电元件之间的中间柔性金属箔。双压电晶片显示比单压电晶片更大的位移，因为在所施加的电压下，一个陶器元件会收缩而另一个膨胀。双压电晶片可以显示高达约20％的应变，但类似于单压电晶片，通常不能承受相对于单压电晶片结构的总尺寸的高负荷。
合适的压电材料包括无机化合物、有机化合物和金属。对于有机材料而言，具有非中心对称结构和在分子的主链或侧链或既在主链又在侧链中具有大偶极矩基团的所有聚合物材料都可被用作压电薄膜的选择物。合适的聚合物的实例包括，例如，但不局限于，聚(4-苯乙烯磺酸钠)(“PSS”)、聚S-119(聚(乙烯胺)主链偶氮生色团)，和其衍生物；多氟烃，包括聚偏1，1-二氟乙烯(“PVDF”)，其共聚合物1，1-二氟乙烯(“VDF”)，三氟乙烯(TrFE)，和其衍生物；多氯烃，包括聚(氯乙烯)(“PVC”)、聚偏1，1-二氯乙烯(“PVC2”)，和其衍生物；聚丙烯腈(“PAN”)，和其衍生物；聚羧酸类，包括聚(甲基丙烯酸(“PMA”)，和其衍生物；聚脲，和其衍生物；聚氨酯(“PUE”)，和其衍生物；生物高分子如聚-L-乳酸类和其衍生物，和膜蛋白质，以及磷酸盐生物分子；聚苯胺和其衍生物，和全部四胺衍生物；聚酰亚胺，包括Kapton分子和聚醚酰亚胺(“PEI”)，和其衍生物；全部膜聚合物；聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(“PVP”)均聚物，和其衍生物，和无规PVP-共乙酸乙烯酯(“PVAc”)共聚物；和全部在主链或侧链或既在主链又在侧链中具有偶极矩基团的芳香族聚合物，和其混合物。
进一步地，压电材料可包括Pt、Pd、Ni、Ti、Cr、Fe、Ag、Au、Cu，和其金属合金和混合物。这些压电材料还可以包括，例如，金属氧化物如SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、SrTiO3、PbTiO3、BaTiO3、FeO3、Fe3O4、ZnO和其混合物；VIA和IIB族化合物，如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe2、ZnSe、GaP、InP、ZnS和其混合物。
合适的活性材料还包含磁流变(MR)组合物，如MR弹性体，其被称为“灵巧”材料，当施加磁场时，其流变性可迅速改变。MR弹性体是微米尺寸的可磁性极化的粒子在热固性弹性聚合物或橡胶中的悬浮体。通过变化所施加磁场的强度，由改变剪切和抗压/张力模量而实现该弹性体结构的刚性。当暴露于磁场仅仅几毫秒时，MR弹性体一般地形成结构。中断MR弹性体曝光于该磁场而使该过程逆转，该弹性体返回到其较低模量状态。
气流控制设备10，在图1中所示，可包含一种或多种上述活性材料16，其作为涂层、层和/或段如条带被施加到主体12的至少一个表面13、14和/或15。在一个实施方案中，不同的活性材料被施加于表面13、14、15，其中不同的活性材料16相互接近地被施加。在另一个实施方案中，活性材料16可以包含不同的形状记忆材料的复合物。在任一实施方案中，活性材料16提供具有形状改变能力的气流设备10，所述形状改变能力可活动地针对特殊的应用而调节，如将更详细地被描述。
连接到气流设备10并且与其有效连通的激活设备18。激活设备18与气流设备10和/或活性材料16功能连通，其是可操作的以选择性地向气流控制设备10提供激活信号并且通过改变活性材料16至少一种属性来改变气流设备10的特征。例如，就底流气流设备来说，活性材料16可使气流设备10收起或延展，这取决于交通工具的速度。激活设备18，当需要时，向气流设备10的活性材料16提供激活信号或刺激以引起至少一部分设备10的一个或多个特征的改变。在一个实施方案中，特征的改变通常保持在所施加激活信号的一段时间。当激活信号中断时，活性材料16通常复原到无动力的形式并且基本上返回到初始至少一种属性，因此使气流设备10复原到初始一个和/或多个特征。在另一个实施方案中，当激活信号中断时，活性材料16的一个或多个属性和/或设备10的至少一部分特征的变化可以保持。在这种实施方案中，设备10包括一种保持活性材料16变化的装置，如闩、锁、制动器和/或类似物。当释放该装置时，设备10复原到初始至少一个特征。所举例说明的设备10仅仅是示范性的而不意欲受限于任何特定的形状、大小、尺寸、或结构、材料等。
在另一个实施方案中，气流设备10包括至少一个与气流控制设备10和/或活性材料16有效连通的传感器26，其中该传感器适合于传递指示至少一个交通工具状况的信号。这种实施方案可以进一步地包含控制器24，其有效连接到传感器26和激活设备18，其中控制器经程序化的并且被配置以使得当传感器26信号指示预定的交通工具状况时，激活设备18向活性材料16提供激活信号。
本发明不意欲受限于任何特定的激活信号。特定的激活信号将取决于活性材料16的敏感性。同样地，激活信号可以提供热激活信号、磁激活信号、电激活信号、化学激活信号和/或其他相似的激活信号或激活信号的组合。
如图2a和2b所示，参考数字20所指的气流控制设备的透视图，气流设备20可以包含一个或多个控制气流的表面13、14、15。在一个实施方案中，气流设备20的主体12可由合适的活性材料16组成。在另一个实施方案中，主体12可以包含活性材料16或其他适合的组合物，其具有一个或多个包括一种或多种活性材料16的表面13、14、15。在这个如图2a所示的设备20中的活性材料16，在室温下可具有基本上直线形状，并且如图2b所示，当加热超过一定温度范围时，为弯曲形状(即曲线形状)，所述温度范围可通常在交通工具运转期间遇到。从这方面看，气流设备20可以控制气流，同时保持足够的离地距离以避免与道路危险物和恶劣天气残余物接触和受到损坏。在这种实施方案中，优选地选择对热激活敏感的活性材料。
如所示，一种更大的线22被嵌入设备20的活性材料16中以提供电阻加热形式的热激活装置。在另外的实施方案中，在低驾驶速度下，控制装置如控制器24和/或传感器26可以使电流流过嵌入的线22，引起活性材料16向上弯曲，呈现受训的较高温度的形状。这可以导致气流控制设备20的上升而在这种情况下增加交通工具离地距离。进一步地，当在预定速度之上驾驶时，控制器24可以中断电流而使得气流控制设备20冷却，因此变直和展开。在另一个实施方案中，特征方面的改变可被逆转，使得在较高交通工具速度下，可使用加热以获得高温形状，而电流将在较低交通工具速度下被中断以获得低温形状。在另一个实施方案中，当激活信号中断时，活性材料16的一种或多种属性和/或设备10的特征的变化可以保持。在这种实施方案中，设备10包括一种保持活性材料16变化的装置，如闩、锁、制动器和/或类似物。当释放该装置以保持活性材料16的变化时，设备10复原到初始至少一个特征。如此，设备20可以根据激活信号向上弯曲，保持向上弯曲直到释放该装置，此时，设备20将复原和变直。进一步地，如在压紧期间变形了的气流控制设备20可以通过施加适当的温度范围而恢复或复原到期望的形状。包括主体12和/或活性材料16的材料的选择将由期望的应用来确定。此外，对于本领域技术人员而言，选择锁装置是适宜的。
如图3a和3b所示，显示了参考数字30所指的气流控制设备的透视图，其具有活性材料16的条带和/或段。在图3a中，设备30包括嵌在一个或多个主体12的表面13、14、15上的活性材料16的条带和/或段。在另外的视图中，图3b所示，活性材料16的条带和/或段嵌在设备30的主体12内。在这种实施方案中，主体12包括具有活性材料16条带的柔性基质材料，优选地但不是必须的，每隔一定间隔镶嵌。活性材料16的位置不局限于任何特定的结构或图案并且将由设备30期望的应用而确定。在一个实施方案中，如在SMA条带中，活性材料16在奥氏体相中具有受训的弯曲形状，未在该视图中显示。在静止或低交通工具速度下，活性材料16如通过电阻加热可被激活，其可使活性材料16弯曲，在这种情况下使气流控制设备30向上弯曲并超出外部气流。形状的变化可由激活设备18、控制器24和/或传感器26所传递的激活信号引发。
对于SMA，由于相变，奥氏体相中的刚性将大于马氏体相中的刚性。所嵌活性材料条带的数量和大小可以选择使得当在奥氏体相中时，所嵌活性材料16使气流控制设备30的本体变形。然而，当活性材料16在马氏体相中时，包括气流控制设备30本体的柔性材料是足够刚性的以使设备30返回到直线、展开结构，在这种情况下使活性材料16变直。在超过预定交通工具速度的较高速度时，电流引起的电阻加热可被停止，使得活性材料16返回到马氏体相。如此，气流控制设备30复原到变直展开的状态。如前所述，由于通过将活性材料16加热到奥氏体相温度而使活性材料16的条带塑性变形，气流控制设备30可被恢复，如果变形是由于力如压紧作用的话。考虑到本公开内容，如本领域技术人员将会理解的，使用合适的特别针对所选活性材料的激活信号，如上所述的其它活性材料可以按类似方式被激活。
在另外的图4所示实施方案中，气流控制设备40的透视图包括螺旋弹簧形状的活性材料16，其被置于功能运转方式至气流控制设备40的主体12。在这种实施方案中，活性材料16可被直接或者间接外部连接到气流控制设备40的表面13、14、15上。如图4所示，主体12的表面13与管42结合，以这种方式，管42自由地绕其轴旋转。弹簧机构44和活性材料16两个都连接到管42，是以一种对抗方式的，使得其各自的张力相互平衡。如此，管42通过外部装置的旋转可以增加一方面的张力同时减少其它方面的张力。在低交通工具速度(即小于预定速度)时，弹簧机构44中的张力与刚性减小和未受热的活性材料16更长的长度的结合导致气流控制设备40旋转超出气流。在较高速度(即大于预定速度)时，通过电阻加热，活性材料16的温度上升，在活性材料16中产生从马氏体相到奥氏体相的相变。由活性材料16组成的线优选地显示高达约4％的长度减小和刚性性能高达3倍的增加。如此，长度减小和刚性性能增加的结合可导致气流控制设备40的展开，例如，如管42旋转并且平衡弹簧机构44伸展。当中断电阻加热时，活性材料16冷却到马氏体相而伸展的弹簧机构44可用于使气流控制设备40返回到收藏位置。在另一个实施方案中，当激活信号中断时，活性材料16的一种或多种属性和/或设备10的特征的变化可以保持。在这种实施方案中，设备10包括一种保持活性材料16变化的装置，如闩、锁、制动器和/或类似物。当释放该装置以保持活性材料16的变化时，设备10复原到初始至少一个特征。如前所述，激活设备18、控制器24和/或传感器26可以互相以及和气流控制设备40作用以引发活性材料16的至少一种属性的变化。
在如图5-7所示的其他实施方案中，气流设备50、60、66使用片状垂悬物旋转机构以改变气流。在图5中，气流控制器50通常包括由连接到管(即芯轴)54的表面13、14和15限定的片状垂悬物52，其中管54可旋转地连接到活性材料16，其以线例如形状记忆合金的形式示出。线16的一端固定连接到管54，而另一端固定连接到交通工具内部的固定且坚硬的支承结构56。通过足够的电流或向线16施加热来引起相变使得片状垂悬物进行运动。取决于线的连接结构，气流控制器50可被配置以在无动力的和有动力的状态中提供不同的挠曲。例如，激活活性材料16可使片状垂悬物从放下位置(即垂直于地面)旋转到凹槽位置(约与地面平行)。或者，活性材料可在无动力的状态中处于凹槽位置，而在有动力状态中处于放下位置。弹簧，未示出，可被使用作为与设备50结合的平衡，将片状垂悬物返回到其原始位置。优选地匹配平衡弹簧强度以配合例如应力所要求的活性材料基线16的横截面区域，使在冷却期间形状记忆合金材料成对。或者，可使用一种或多种由SMA形成的反对抗弹簧或线。
如图6所示，气流控制设备60包括由合适的活性材料16形成的扭转弹簧62。该扭转弹簧优选地配置在管54的末端内。在这种实施方案中，管54优选地是中空的以容纳该扭转弹簧62。扭转弹簧62可以是螺旋形或螺线形状，其激活引起与剪切应力对抗的弹簧中的弯曲应力。同样地，激活活性材料16引起片状垂悬物52(由表面13、14和15限定)绕由管54限定的轴旋转。
在图7中，气流设备66包括由活性材料形成的螺旋弹簧68以使片状垂悬物旋转。
在另一个如图8所示的实施方案中，气流控制设备70可被配置以使用冲击流场并且提供用于片状垂悬物展开的辅助机构。一个或多个由活性材料16形成的接头片74在大约片状垂悬物的顶部(所示通常在72处)被可绕轴转动且活动地连接，其活动地将片状垂悬物72的一部分置入引入的气流物流中。即，接头片的激活使得该接头片推动片状垂悬物远离坚硬的支承结构76。如通常由箭头78显示的气流物流然后以一定的力冲击在片状垂悬物72的表面上而有效地增加片状垂悬物向下的展开。可使用平衡弹簧(未示)以使片状垂悬物返回到其原始位置并且可以被设计使得在指定的流体物流速度下片状垂悬物62将返回到原始位置。活性材料组分16可以由许多不同的材料组成。接头片可由多种灵巧材料构成，例如但不意欲受限于，压电双压电晶片、在高温下训练成弯曲形状的SMA条带、或电活性聚合物双压电晶片如离子聚合物复合物(IMPC)，这是因为所需位移的量是有效引起气流冲击在片状垂悬物上的量。各个这些任选物可产生所需的挠曲以推动片状垂悬物72进入气流场78并且开始展开。
在另一个如图9所示的实施方案中，气流控制设备80包括由活性材料基部分和非活性材料基部分84形成的片状垂悬物82。活性材料基部分的激活使得改变形状取向如弯曲，其随后引起活性材料基部分84的位移。通过远离非活性材料的中心轴放置线和/或带而引起位移即弯曲，这当激活，例如，SMA收缩时引起非活性材料的弯曲。同样地，该线和/或带可置于非活性材料的表面上和/或嵌入在其中使得活性材料的激活引起期望的位移量。通过保持一端固定(优选地，活性基材料部分连接到交通工具结构上)，活性基材料部分82的弯曲变化引起与流动垂直的表面区域的变化并且相对于定点(例如交通工具结构)使表面旋转。或者，部分82可由弹性材料形成，其具有一个或多个连接到此的线和/或带86，其中该线和/或带是由活性材料形成的。线和/或带86被装配，使得激活引起部分82的弯曲变化，导致非活性材料基部分84的挠曲。
在任一实施方案中，气流控制设备运转可被称作片状垂悬物表面的一部分变形或者变体，使得相对于引入的气流改变表面的垂直区域和取向。这种垂直面和取向的变化可以使气流发生变化，使得使得设备80区域中的气流转移、通过或者得到阻挡。这种设备可用于许多汽车应用以控制气流。如上所述，某些潜在的应用包括前扰流板、扰流器和通风窗。应该注意到尺度是可调整的使得使用相同的实施方案以及本领域技术人员所能认知的略微改变，可以产生较小尺度的设备如用于气候控制的内部通风窗和较大表面的如前扰流板。
现在参考图10，气流控制设备90包括由多个层92、94形成的片状垂悬物。层94由活性材料16形成，并且被置于至少一个层92上，其中一个在图中显示。层92是弹性的使得当层94激活时，层92改变其形状取向。任选地，如所示包括柔性间隔层96。可使用间隔层96来基于活性材料的特征使性能最优化。
公开了一种控制交通工具气流的方法。在这种实施方案中，该方法首先包括放置前述实施方案中任一项的或组合的气流控制设备，例如设备10、20、30、40、50、60、66、70、80、90，以便在交通工具运动期间提供接触中的气流，该气流控制设备包括主体和与该主体有效连通的活性材料，其中该活性材料根据激活信号有效改变至少一种属性。一旦被放置，将激活信号选择性地引入活性材料。通过选择性地引入激活信号，改变了该活性材料的至少一个属性。在另一个实施方案中，该方法包括中断激活信号以逆转活性材料的至少一种属性的变化。在另外的实施方案中，该方法包括当中断激活信号时，保持该活性材料的至少一种属性的变化。
如前所述，可根据激活信号经历形状变化的合适的形状记忆材料包括形状记忆合金组合物。形状记忆合金存在于若干不同的随温度而变的相中。最通常使用的这些相是上述所谓的马氏体和奥氏体相。在以下讨论中，马氏体相泛指更可变形的、更低温度的相，而奥氏体相泛指更坚硬的、更高温度的相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其开始转变为奥氏体相。这种现象开始时的温度常常称为奥氏体起点温度(As)。这种现象完成时的温度称作奥氏体终点温度(Af)。当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，其开始转变为马氏体相，并且这些现象开始时的温度称为马氏体起点温度(Ms)。奥氏体完成转变至马氏体时的温度称作马氏体终点温度(Mf)。通常，形状记忆合金在其马氏体相时是较软的并且可更容易变形，而在奥氏体相时，是更硬的、更刚性的和/或更坚硬的。鉴于以上所述，与形状记忆合金一起使用的合适的激活信号是一种热激活信号，其具有一定规模而引起在马氏体和奥氏体相之间的转变。
形状记忆合金可显示单向形状记忆效应、固有的双向效应、或外在的双向形状记忆效应，这取决于合金成分和加工过程。退火的形状记忆合金一般地仅仅显示单向形状记忆效应。在形状记忆材料低温变形之后的充足加热将诱发马氏体至奥氏体类型的转变，并且该材料将恢复初始的、退火的形状。因此，单向形状记忆效应仅仅当加热时被观察到。包括显示单向记忆效应的形状记忆合金组合物的活性材料不自动地还原，并且可能会需要外部机械力以还原成预先适于气流控制的形状。
固有的和外在的双向形状记忆材料特征为当两者从马氏体相加热到奥氏体相时形状转变，以及当从奥氏体相冷却回到马氏体相时另外的形状转变。显示固有的形状记忆效应的活性材料16是由形状记忆合金组合物制造的，由于上述相变所述形状记忆合金组合物将使活性材料16本身自动还原。固有的双向形状记忆性能必须通过加工在形状记忆材料中诱发。这种过程包括在马氏体相中在强制作用或负荷下加热-冷却时的极端变形，或表面改性如激光退火、磨光或喷丸处理。一旦材料已被训练而显示双向形状记忆效应时，低温和高温状态间的形状变化通常是可逆的并且持续经过高次数的热循环。相反，显示外在的双向形状记忆效应的活性材料16是将显示单向效应的形状记忆合金组合物与提供回复力以还原初始形状的另一种元素结合的复合物或多组分材料。
当加热时形状记忆合金记忆其高温形态时的温度可通过合金组成的轻微改变和通过热处理而被调节。例如，在镍-钛形状记忆合金中，它可从高于约100℃至低于约-100℃变化。形状复原过程出现在只有几度的范围内，并且可以将转变的起始和完成控制到一度或两度，这取决于期望的应用和合金成分。形状记忆合金的机械性能在跨越其转变的温度范围内改变很大，一般为气流控制设备提供形状记忆效应，超弹性效应和强阻尼容量。
另一合适种类的形状记忆材料是SMP。大多数SMP显示“单向”效应，其中SMP显示一种永久性形状。当加热SMP超过第一转化温度时，获得永久性形状并且不使用外力的话，形状不会复原到暂时性形状。例如，对于显示激活和未激活状态刚性差异的活性材料16，在气流控制设备10、20、30、40激活期间能量可弹性地存储。同样地，能量可以任何适于气流控制设备运转的方式存储，包括但不限于，在设备的主体内和/或在如弹簧的弹性组件(其运转而内和/或外连到设备)中。如此，所存储的能量可以用来，如本文中所讨论的，当中断激活信号和/或释放装置如闩、锁、制动器和/或类似物时，使设备复原到至少如形状、尺寸、刚性、位置和/或取向等特征的初始状态。在另一个实施例中，一个以上的显示激活和未激活状态刚性差异的活性材料16被定向从而对抗了各个材料产生的至少一种属性的变化。同样地，一个或多个对抗的活性材料16可选择性地被激活而不激活其它对抗的活性材料16。如此，选择性被激活的活性材料16的至少一个属性的变化可通过钝化该激活的活性材料16并且选择性地激活其他对抗的活性材料16而逆转。上述实施例是说明性的而不限制本发明的实施方案。
作为备选的，可以制备具有“双向”效应的某些形状记忆聚合物组合物。这些系统由至少两个聚合物组分组成。例如，一个组分可以是第一交联聚合物而另一个组分是不同的交联聚合物。这些组分可通过分层技术结合，或者是互穿网络，其中两个组分是交联的，但不是相互交联的。通过改变温度，形状记忆聚合物沿第一永久性形状或第二永久性形状方向改变其形状。各个永久性形状属于形状记忆聚合物的一个组分。两个永久性形状在两个形状间总是平衡的。形状的温度依赖性由以下事实造成一个组分(“组分A”)的机械性能几乎与所关心的温度范围内的温度无关。另一个组分(“组分B”)的机械性能取决于温度。在一个实施方案中，组分B与组分A相比，在低温变得更强，而组分A在高温变得更强并且确定了实际形状。双向存储器件可以通过以下步骤制备固化组分A的永久性形状(“第一永久性形状”)；使设备变形为组分B的永久性形状(“第二永久性形状”)；和使组分B的永久性形状固定同时向该组分施加应力。
在优选实施方案中，活性材料16的永久性形状是基本上变直的形状并且活性材料16的暂时性形状是弯曲形状(参见图2a-2b)。在另一个实施方案中，形状记忆聚合物包括两种永久性形状。在第一永久性形状中，活性材料16是基本上变直的形状，并且在第二永久性形状中，活性材料16是弯曲形状。
永久性形状复原所需的温度可以被设置在约-63℃至约120℃或以上的任何温度。加工该组合物和聚合物结构本身可以使得对于期望的应用选择特定的温度。对于形状复原优选的温度是大于或等于约-30℃，更优选地大于或等于约0℃，最优选温度大于或等于约50℃。此外，对于形状复原优选的温度是小于或等于约120℃，并且最优选小于或等于约120℃并且大于或等于约80℃。
正如前面提到的和限定的，活性材料16也可包含电活性聚合物如离子型聚合物金属复合物，和导电聚合物。活性材料16也可包含压电材料。优选地，压电材料被置于柔性金属板的条带上。该条带可以是单压电晶片或双压电晶片。优选地，该条带是双压电晶片，因为双压电晶片通常比单压电晶片显示更大的位移。
使用压电材料将可能需要一种电信号以产生弯曲形状。当中断激活信号时，该活性材料变直。
活性材料此外包括但不局限于形状记忆材料如磁性材料和磁流变弹性体。
合适的磁性材料包括但不意欲限于软或硬磁铁；赤铁矿；磁铁矿；基于铁、镍和钴、上述合金、或包括上述中至少一种的组合等的磁性材料。铁、镍和/或钴的合金可以包含铝、硅、钴、镍、钒、钼、铬、钨、锰和/或铜。合适的MR弹性体材料在前面已经描述过。
通过改变活性材料16的至少一个属性以匹配不同行车状况的需要，本发明的气流控制设备和方法能调节特征如形状、尺寸、刚性、位置、其组合等。活性材料16的至少一个属性的变化包括形状、尺寸、刚性、其组合等。利用活性材料16而影响这些变化提供了具有增加的简单性和坚固性的设备，同时减少了故障模式的数目、设备体积和由于更高的能量密度造成的激活所需的能量。
除非另外指出，在说明书和权利要求中使用的表示成分、性能如分子量、反应条件等的全部数字将被理解为在一切情况下由术语“约”来修饰。因此，除非相反地指出，在以下说明书和所附权利要求中所述的数值参数是可以变化的近似值，这取决于设法由本发明获得的期望的性能。至少，如未企图使等价理论的应用限制权利要求的范围，各数值参数应该至少按照所报道的有效数字并且通过普通的取舍技术来进行理解。
虽然本发明已经参考示范性实施方案进行了描述，本领域技术人员应该理解的是可以进行各种变化并且在不偏离本发明范围的情况下，可以用等价物代替其元素。此外，可进行许多变型以按照本发明的教导在不偏离其本质范围的条件下来适应特定情况或材料。因此，希望本发明不限于如实施本发明所预期的最佳方式所公开的特定的实施方案，但是本发明将包括属于所附权利要求范围的全部实施方案。
权利要求
1.一种用于交通工具的空气导流器，其包括具有至少一个表面的主体部分，和与该主体部分的至少一个表面有效连通的活性材料，该活性材料根据激活信号有效改变至少一种属性，其中跨越该空气导流器的气流随着该活性材料至少一种属性的变化而改变。
2.权利要求1的空气导流器，其中所述主体部分包括活性材料。
3.权利要求1的空气导流器，其中该活性材料包括形状记忆材料。
4.权利要求1的空气导流器，其中该活性材料包括形状记忆合金、形状记忆聚合物、电活性聚合物、磁流变弹性体、压电材料或包括上述材料中的至少一种的组合。
5.权利要求1的空气导流器，其中该活性材料被施加于该主体的至少一个表面。
6.权利要求1的空气导流器，其中该活性材料包括多个嵌入至少一个表面的活性材料的条带和/或线。
7.权利要求1的空气导流器，其中该活性材料包括多个嵌在主体部分内的活性材料的条带和/或线。
8.权利要求1的空气导流器，其中该活性材料根据激活信号改变至少一个属性。
9.权利要求1的空气导流器，其中该活性材料根据激活信号从基本上直线形状变化到曲线形状。
10.权利要求1的空气导流器，其中该激活信号包括热激活信号、磁激活信号、电激活信号、化学激活信号或包括上述信号中的至少一种的组合。
11.权利要求1的空气导流器，其进一步地包括适合于向空气导流器提供激活信号的激活设备。
12.权利要求1的空气导流器，进一步地包括至少一个传感器和与活性材料有效连通的控制器。
13.权利要求1的空气导流器，其中该设备包括交通工具前扰流板；翼板外接板；侧裙板槽；驾驶室；后扰流器和后挡板扰流器；用于通过散热器、其他换热器、发动机舱在传动系和传动装置上控制气流的通风窗；和用于顶板盖、活动顶篷、通风窗口的空气导流器和导风板。
14.权利要求1的空气导流器，其中该激活信号由交通工具的预定速度触发，其中当交通工具速度超过预定速度时，该活性材料变化至少一种属性，和其中当交通工具速度低于预定速度时，活性材料返回到该至少一种属性的初始状态。
15.权利要求1的空气导流器，其中该交通工具包括汽车、公路上的牵引车、船、摩托车、飞机、雪橇或太空船。
16.一种交通工具气流控制系统，其包括交通工具的固定表面；和固定连接到该固定表面的空气导流器，该空气导流器包括具有至少一个表面的空气偏转主体，与该空气偏转主体的至少一个表面有效连通的活性材料，该活性材料根据激活信号有效改变空气偏转主体的至少一个特征，以及与所述活性材料功能连通的激活设备，该激活设备是可操作的以选择性地提供该激活信号，所述激活信号引发该活性材料的至少一种属性的变化，其中该活性材料的至少一种属性的变化改变该空气偏转主体的特征。
17.权利要求16的交通工具气流控制系统，其进一步地包括与空气导流器有效连通的传感器，其中该传感器适合于传递指示至少一个交通工具状况的传感器信号；和有效连接到传感器和激活设备的控制器，其中控制器经程序化并且被配置以使得当传感器信号指示预定的交通工具状况时使激活设备向活性材料提供激活信号。
18.权利要求16的交通工具气流控制系统，其中该空气导流器形成前扰流板、翼板外接板、侧裙板槽、驾驶室、后扰流器、后挡板、通风窗、热交换器、发动机舱的通风孔、传动系和/或传动装置上方气流的通风孔、顶板盖导风板、活动顶篷和通风窗口。
19.权利要求16的交通工具气流控制系统，其中该激活信号由交通工具的预定速度触发，其中当交通工具速度超过预定速度时，该活性材料变化至少一种属性，并且其中当交通工具速度低于预定速度时，活性材料返回到该至少一种属性的初始状态。
20.权利要求16的交通工具气流控制系统，其中该交通工具包括汽车、公路上的牵引车、船、摩托车、飞机、雪橇或太空船。
21.一种控制交通工具周围气流的方法，该方法包括将气流控制设备置于交通工具固定表面上，该气流控制设备包括具有至少一个表面的主体，和与该至少一个表面有效连通的活性材料，该活性材料根据激活信号有效改变该活性材料的至少一种属性；当满足和/或超过预定的交通工具状况时，选择性地引入激活信号；和使该活性材料的至少一种属性变化。
22.权利要求21的方法，其进一步地包括中断激活信号，其中中断激活信号使得该活性材料的至少一种属性的变化复原。
23.权利要求21的方法，其进一步地包括当中断激活信号时，保持该活性材料的至少一种属性的变化。
24.权利要求21的方法，其中该活性材料包括当中断激活信号时的螺旋弹簧形状和响应激活信号的基本上变直的形状。
全文摘要
一种气流控制设备包括主体和与该主体有效连通的活性材料。活性材料如形状记忆材料，根据激活信号有效改变至少一种属性。该活性材料可以变化其形状、尺寸和/或刚性，产生气流控制设备至少一个特征如形状、尺寸、位置、取向、和/或刚性的变化以控制交通工具气流而更好地适应行车状况如天气、离地距离和速度的变化，同时减少维护和故障模式的水平。同样地，该设备减少由于离地距离不足造成的交通工具损坏，同时增加交通工具稳定性和燃料经济性。可使用激活设备、控制器和传感器以进一步地控制气流控制设备的至少一个特征的变化，如设备的形状、尺寸、位置、取向和/或刚性。控制交通工具气流的方法选择性地引入激活信号以引发该设备的至少一个特征的变化，其当中断激活信号时可以被逆转。
文档编号B60H1/00GK1890124SQ200480036242
公开日2007年1月3日 申请日期2004年11月17日 优先权日2003年12月4日
发明者A·L·布劳恩, N·L·约翰逊, G·P·麦奈特, C·梅西, G·A·埃雷拉, W·巴沃萨-卡特 申请人:通用汽车公司