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形状记忆合金电机的研究与应用 杨 凯，辜承林 (华中科技大学，武汉430074) 摘 要:概括了形状记忆合金的相变晶休学和热力学特性，介绍了形状记忆合金电机的结构、原理、驭动、控制 和应用，综迷了当前形状记忆合金电机的应用与研究中的若干热点。 关性词:形状记忆合金;形状记忆效应;形状记忆合金电机 现代化工业，特别是徽型机器人和计算机技术的飞速发展，对体积小、重量轻、高功率密度电机 的需求与日剧增。传统伺服电机因为功率一重量比低，必须安装在远离驱动点的地方，而且电机高 速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构萦赞，不能满足实用要求。为此，人们 研制了利用功能材料构成的各类新型电机，如记忆合金电机、压电效应电机、电致伸缩电机和磁致 伸缩电机等。其中，压电、电致伸缩和磁致伸缩电机反应速度较快，但物出位移小，使用受到了一些 限制。形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy简称为SMA)电机物出位移较大，同时有较高的功率一 重量比，具有广阔的应用前景。 SMA电机的结构、原理及运行控制方式均与传统电机不同。它是利用SMA材料的独特的形 状记忆效应(shapememoryeffect简称为SME)，辅以一定的偏动装里(弹赞或弹性体)，通过特定的 控制手段，构成双程可逆致动元件，实现机电能盘的转换。 1SMA与SME 有一类特殊的金属材料，经适当的热处理后即具有回复形状的能力，这种材料被称为形状记忆 合金，这种能力亦称为形状记忆效应。通常,SMA在低温时产生塑性变形，沮度升高后，克服塑性 变形回复到所记忆的形状。研究表明，很多合金材料都具有$ME.但只有在形状变化过程中产生 较大回复应变和较大形状回复力的，才具有利用价值。到目前为止，应用得最多的是Ni-Ti合金 和铜基合金(CuZnAI和CuAlNi)。从合金相变的角度来看,SME的实质是SMA内部的热弹性马氏 体相变，当母相过冷到马氏体相与母相化学自由能平衡温度To以下适当沮度M.时，马氏体将长 大，直到热化学自由能和弹性非化学自由能两者之差最小时，马氏休的生长过程才告结束。同样， 只有当马氏体过热到To以上温度A。时，在相变驭动力作用下，马氏体缩小的逆转变过程才能开 始。图I显示了相变特性及相变循环中的关键点，其中:M,,从为马氏体相变的开始和结束时的温 度，A.,A，为逆相变的起始和结束温度。人们通常用相变温度A,表征合金的特性。通常,SMA能够 完全恢复的形变量可达b%-8% 远非一般材料所能比拟)，它的形变沮度范围一般在一100C1- 200℃之间，主要受合金成份及热处理制度等因素影响。形状恢复时会产生很大的回复力(有的高 达20ompa)且机械特性有较大的变化。图2给出了Ni-Ti合金在 烟 分 余 曲 勺 拉力作用下的应力一应变曲线。马氏体在较低的应力下就能产生塑里 鑫 挂 性变形，而高温奥氏体具有很高的屈服应力。虚线表明，去除应力的 鑫 以 马氏体经加热后转化为奥氏体，回复到它所记忆的形状，而奥氏体经 团 形变后加热却没有类似的现象。大