形状记忆材料在汽车领域的研究与应用_张育洋.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n形状记忆材料在汽车领域的研究与应用张育洋1,李 飞2,张 战3(1.陕西工业职业技术学院 航空工程学院,陕西 咸阳 7 1 2 0 0 0;2.西安电子科技大学 机电工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 7 1;3.咸阳市知识产权局,陕西 咸阳 7 1 2 0 0 0)摘 要:形状记忆材料是指在某一特定条件下发生形状改变,当施加特定激励条件时,材料完全恢复到变形前的现象。形状记忆材料分为形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。随着汽车向轻量化、安全化方向发展,形状记忆材料应用在汽车领域的越来越多,受到人们广泛关注。本文从形状记忆材料起源入手,对形状记忆材料在汽车上的应用的国内外研究现状进行了综述,并结合现有研究情况进行了探讨,指出了形状记忆材料在汽车领域未来的研究方向。关键词:形状记忆材料;汽车领域;马氏体 中图分类号:T B 3 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 2-0 0 8 5-0 3R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fS h a p eM e m o r yA l l o y i nA u t o m o t i v eF i e l dZ h a n gY u-y a n g,L iF e i,Z h a n gZ h a n(S c h o o l o fA e r o n a u t i c a lE n g i n e e r i n g,S h a a n x iP o l y t e c h n i c I n s t i t u t e,X i a n y a n g,S h a a n x i 7 1 2 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:S h a p em e m o r ya l l o y i s ak i n do fm a t e r i a l c o m p o s e do fm o r e t h a n t w om e t a l l i c e l e m e n t sw i t hs h a p em e m o r ye f f e c t t h r o u g ht h e r m o e l a s t i c i t ya n dm a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o na n d i t s i n v e r s i o n.S h a p em e m o r ya l l o y i s t h em a t e r i a lw i t ht h eb e s t s h a p em e m o r yp e r f o r m a n c ea m o n gs h a p em e m o r ym a t e r i a l s.W i t ht h ed e v e l o p m e n t o f l i g h tw e i g h t a n ds a f e t y i na u t o m o b i l e s,s h a p em e m o r ya l l o yh a sb e e na p p l i e dm o r e a n dm o r e i n t h e f i e l do f a u t o m o b i l e s,a n dh a s a t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n.S t a r t i n g f r o mt h eo r i g i no f s h a p eM EMO R Ya l l o y s,TH I Sp a p e r r e v i e w s t h e r e s e a r c hs t a t u so f s h a p em e m o r ya l l o y s i na u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n s a t h o m e a n da b r o a d,a n dd i s c u s s e s t h e e x i s t i n g r e s e a r c hs i t u a t i o n,a n dp o i n t s o u t t h e f u-t u r e r e s e a r c hd i r e c t i o no f s h a p em e m o r ya l l o y s i nt h ea u t o m o t i v e f i e l d.K e yw o r d s:S h a p em e m o r ym a t e r i a l;A u t o m o b i l e i n d u s t r y;M a r t e n s i t e基金项目:陕西省教育厅科学研究计划项目资助(项目编号:2 2 J K 0 2 6 6)作者简介:张育洋(1 9 9 1),男,黑龙江哈尔滨人,讲师,硕士,毕业于西安电子科技大学机械电子工程专业,现任陕西工业职业技术学院航空工程学院教师。现从事机电一体化技术研究。0 引言目前我国已有汽车3.1 2亿辆,随着汽车普及程度越来越高,对汽车的轻量化、安全性、高性能等要求越来越高,需要执行器和传感器的数量与日俱增,形状记忆材料的驱动器比现有的电磁驱动器性能强,可靠性高,可以在有效实现汽车轻量化的同时,使造车成本降低。本文主要介绍了形状记忆材料的历史及应用、形状记忆材料在汽车执行器上的应用、未来形状记忆材料在汽车上应用的发展方向。1 形状记忆材料的历史及应用形状记忆材料分为:形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。形状记忆合金简称S MA,是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料,即拥有“记忆”效应的合金。1 9 3 2年,L A N D E R1在研究合金的电化学研究时发现金镉合金在低温中变形,随着温度升高可以恢复至原有形态。1 9 3 8年,G R E N I N G E R等2发现了铜锌合金中的马氏体随着温度升高而缩小直至消失。1 9 4 9年,K u r d j u m o v等3确定了新概念“热弹性马氏体相变”。1 9 6 3年,B u e h l e r等4发现等原子比的N i-T i合金在压应力作用下,部分降解为T i N i 3,在拉压力作用下形成T i 2 N i,当温度升高到1 0 0 时,伴随着体积的变化,T i 2 N i和T i N i 3恢复为N i-T i合金。1 9 6 5年,F r e d e r i c k等5通过X射线单晶衍射方法,确定了N i-T i在-7 0 9 0 0 温度范围内的晶体结构,每单位细胞有5 4个原子的复杂结构,在大约1 6 6 时经历了“马氏体”伪有序-无序转变。1 9 7 0年,D o n k e r s l o o t等6通过X射线衍射研究了马氏体转变,确定了马氏体相变开始冷却和加热的温度以及完成相应转变的温度。1 9 7 1年A n d r e a s e n等7发现T i-N i合金具有良好的弹性和耐腐蚀性能,可用于口腔正畸治疗。1 9 8 1年日本科学家发现了辐射交联的聚乙烯具有形状记忆性能,开启了形状记忆聚合物的研究。1 9 8 6年S w a i n等8发现陶瓷也具有较强的形状记忆功能。从2 0世纪9 0年代至今,形状记忆材料的力学性能、相变温度都有很大提高,形状记忆材料在汽车上的应用广泛,如表1所示。表1 形状记忆材料在汽车上的应用执行器驱动器电磁阀变速器风扇离合器开关阀制动器轮胎电池其他部分后视镜雨刮器门锁车体外壳车身梁座椅气囊2 形状记忆材料在汽车上的应用2.1 形状记忆材料在汽车执行器上的应用58DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.02.0202 0 2 3年第2期汽车执行器是一种能量转换部件,它能在电子控制装置的控制下,将输入的各种形式的能量转换为机械动作。一辆汽车需要2 0 0多个传统执行器,它们的质量、结构等影响汽车的安全与可靠性。1 9 9 7年付百学等9等介绍了五种汽车上用形状记忆合金制作的零件。2 0 0 3年徐国等1 0提出形状记忆合金在汽车上可以制作成散热器面罩活门、冷却风扇离合器、汽车轮胎防滑钉、雾灯罩自动开闭装置、手动变速器、电磁阀等。2 0 0 9年麻建坐1 1设计了形状记忆合金弹簧,得出了形状记忆合金弹簧的驱动力大小及输出行程与温度等参数之间的关系式,制作了智能汽车风扇离合器。2 0 1 0年张超1 2改进和优化了内嵌式形状记忆合金执行器的结构,并研制了执行器样机。2 0 1 2年高攀1 3建立了形状记忆合金控制的磁流变风扇离合器的转矩传递方程。2 0 1 3年葛乐乐1 4设计了形状记忆合金汽车风扇离合器并进行了模态分析和性能研究。2 0 1 5年覃艳金1 5设计了一种基于磁控形状记忆合金的高速开关阀并通过仿真验证其稳定性和控制性良好。2 0 2 1年胡艺博1 6通过理论计算和试验分析证明了S MA材料作为新型执行器执行元件的潜力与可行性。国外对汽车执行器研究开始较早,1 9 9 0年S t o e c k-e l1 7提出了形状记忆合金可以做温度敏感调节阀,自动控制换挡压力传输。也可以做形状记忆垫圈来降低变速箱噪音。1 9 9 7年,B o r r o n i b i r d1 8提出进入2 1世纪后,汽车上的执行器的成本会涨到2 0 0 0美元以上,缩小执行器所占用的空间的问题迫在眉睫。同年,H u b e r等1 9通过理论计算和试验分析发现了用形状记忆合金制作成的汽车制动器,可以实现较低制动应力,因为驱动制动器的马氏体相变 在 单 位 体 积 上 可 以 提 供 恒 定 的 能 量。2 0 0 0年,S T C K E L2 0在论文中提出奔驰汽车用形状记忆合金制作汽车自动变速器中的压力控制阀,形状记忆合金的特性可以有助于平稳换挡,用形状记忆合金做执行器的问题主要在于环境温度要低于形状记忆合金转变温度。图1 形状记忆材料风扇离合器2.2 形状记忆材料在汽车驱动器上的应用汽车驱动器是汽车的重要部件,2 0 1 2年李杰锋等2 1利用形状记忆合金的单程形状记忆效应,设计并制造一种不带偏置装置且可实现双程运动的线性驱动器。2 0 1 6年郑国龙2 2设计的丝式形状记忆合金驱动器不仅可以替代汽车门锁中的电磁马达驱动器,还可以完成开启车门动作,提高了车门系统的智能化水平。2 0 1 9年孙太荣2 3以形状记忆合金丝作为驱动元件,设计一种带有拉压弹簧的偏置式双程柔性驱动器,并对该驱动器进行理论和实验研究。2 0 2 2年徐孝东2 4利用形状记忆合金丝作为驱动元件,设计一种基于丝式形状记忆合金驱动的汽车座椅充气系统开关阀装置,对形状记忆合金开关阀进行结构优化、仿真分析与实验研究。2 0 0 9年B e l l i n i2 5提出了一种新型固态驱动系统代替电磁和气动效应器,用于驱动内燃机进气管的滚轴。2 0 1 0年W i l l i a m s2 6通过试验研制了一种S MA驱动器原型。设计了一种可变结构控制,使后视镜根据驾驶员的指令进行定位。2 0 1 3年L e a r y等2 7通过理论计算和实验验证了N i-T i S MA线性驱动器的电阻率,计算了各种驱动器排列的电阻,证明了直接从汽车电池为S MA驱动器供电可行。2 0 1 7年,美国国家航天局研发了镍钛合金制成的免充气轮胎,适用于复杂地形2 8,如图2所示。图2 形状记忆复合材料轮胎2.3 形状记忆材料在汽车其他器件上的应用随着科技进步,人们对汽车的安全性,舒适性的要求越来越高。形状记忆材料也可以用在汽车上的其他部件。2 0 1 4年,郭瑞斌等2