劉騰龍 王童 陳軼嵩 張凌霄 劉永濤

（長(zhǎng)安大學(xué)，汽車(chē)學(xué)院，西安710021）

主題詞：形狀記憶合金 執(zhí)行器 智能結(jié)構(gòu) 汽車(chē) 發(fā)展趨勢(shì)

1 引言

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy,SMA）是種新型智能材料，該材料能夠“記憶”或保持原來(lái)的形狀。因其性能優(yōu)越、獨(dú)特，近年來(lái)SMA在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，并成為汽車(chē)、航空航天、機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。未來(lái)，該材料有望應(yīng)用在汽車(chē)領(lǐng)域，有廣闊的應(yīng)用前景，如：形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金智能結(jié)構(gòu)等。本文介紹了形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金智能結(jié)構(gòu)在汽車(chē)上的應(yīng)用，并展望了其應(yīng)用前景。

SMA通過(guò)適當(dāng)?shù)拇碳ぃㄈ纾杭訜幔┳冃魏竽軌蚧謴?fù)其原始形狀，這被稱(chēng)為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect,SME)。SMA的驅(qū)動(dòng)原理是：在低溫時(shí)，馬氏體態(tài)的SMA在外界的作用下發(fā)生變形，如果對(duì)其加熱，當(dāng)溫度超過(guò)馬氏體逆向變的起始溫度時(shí)，SMA內(nèi)部發(fā)生由馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。若此時(shí)材料處于自由態(tài)，則形變消失并恢復(fù)原始形狀，若材料處于約束態(tài)，材料內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力。

2 SMA的種類(lèi)

2.1 按材料分類(lèi)

SMA材料有很多種，主要包括：Au-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ni-Ti、Ni-Ti-Pd。此外，SMA也有很豐富的產(chǎn)品類(lèi)型，主要包括：絲式SMA、纖維狀、板材、棒材。依照本體材料，可以將SMA材料分為3類(lèi)，即鎳鈦基、銅基以及鐵基。

2.1.1 鎳鈦基SMA

鎳鈦基又稱(chēng)鎳鈦諾，由于其生產(chǎn)成本更低、更容易處理、更安全，與其他類(lèi)型的SMA相比，它的性能更優(yōu)。因此，鎳鈦基SMA是目前最受歡迎的SMA材料。鎳鈦諾最早是由William Buehler在1959年發(fā)現(xiàn)的，直到William Buehler和Frederick Wang在幾年后揭示了鎳鈦諾的SME之后，鎳鈦諾才有了商業(yè)化應(yīng)用的潛力[1]。北京科技大學(xué)楊質(zhì)對(duì)Ni-Mn基和Ti-Ni-Cu-Co SMA彈熱性能進(jìn)行研究[2]，對(duì)于設(shè)計(jì)固態(tài)制冷用途的高性能彈熱材料具有重要意義。北京科技大學(xué)李少輝對(duì)Ti-Zr-Hf-Ni-Cu（Co）高熵形狀記憶合金馬氏體進(jìn)行研究[3]，對(duì)設(shè)計(jì)具有優(yōu)異高溫超彈性和形狀記憶效應(yīng)的功能材料具有指導(dǎo)意義。

2.1.2 銅基SMA

與鎳鈦基SMA相比較，銅基SMA價(jià)格更便宜、更易加工生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性比較差，在加熱條件下，其性能容易發(fā)生變化，加載-卸載多次循環(huán)后，可能會(huì)丟失形狀記憶效應(yīng)。針對(duì)這一缺點(diǎn)，科研人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，在銅基SMA中添加一些微量元素來(lái)實(shí)現(xiàn)改善其性能的目的。

2.1.3 鐵基SMA

目前，比較常見(jiàn)的鐵基SMA是Fe-Mn-Si合金，雖然鎳鈦基SMA的形狀記憶效應(yīng)比鐵基SMA的形狀記憶效應(yīng)強(qiáng)，但是鐵基SMA比鎳鈦基SMA便宜很多，而且鐵基SMA擁有高強(qiáng)度和加工方便等優(yōu)勢(shì)。由于Fe-Mn-Si只有2%的最大可回復(fù)應(yīng)變，因此在工程實(shí)際當(dāng)中，它沒(méi)有被廣泛的應(yīng)用。

2.2 按作用特點(diǎn)分類(lèi)

2.2.1 單程記憶效應(yīng)SMA

單程記憶效應(yīng)SMA在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過(guò)程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱(chēng)為單程記憶效應(yīng)。

2.2.2 雙程記憶效應(yīng)SMA

雙程記憶效應(yīng)是指某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀，稱(chēng)為雙程記憶效應(yīng)。

2.2.3 全程記憶效應(yīng)SMA

全程記憶效應(yīng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱(chēng)為全程記憶效應(yīng)。

3 SMA在汽車(chē)中的具體應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著對(duì)SMA的深入研究，其在汽車(chē)中的具體應(yīng)用主要有以下3個(gè)方面：車(chē)用SMA執(zhí)行器、車(chē)用SMA智能結(jié)構(gòu)、車(chē)用SMA離合器。

3.1 車(chē)用SMA執(zhí)行器

3.1.1 現(xiàn)有車(chē)用執(zhí)行器的分類(lèi)

汽車(chē)執(zhí)行器一般可以分為3類(lèi)：（1）用于舒適性和車(chē)身功能的低功率執(zhí)行器；（2）大功率車(chē)輛控制執(zhí)行器；（3）高頻發(fā)動(dòng)機(jī)控制執(zhí)行器[4]。SMA驅(qū)動(dòng)器最適合于第1類(lèi)、第2類(lèi)。然而，由于低工作頻率和窄帶寬，SMA不太適合第3類(lèi)。近年來(lái)，磁性SMA和NiTi薄膜SMA等新型SMA的工作頻率已提高到2 kHz，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他傳統(tǒng)的高頻驅(qū)動(dòng)器。

3.1.2 車(chē)用執(zhí)行器的重要性

汽車(chē)執(zhí)行器是將動(dòng)力源和機(jī)械零件組合起來(lái)進(jìn)行機(jī)械操作的裝置。使用執(zhí)行器可以自由控制在操作時(shí)施加的力和速度、角度等。因此，執(zhí)行器在機(jī)電一體化中發(fā)揮著核心的作用?，F(xiàn)在用戶(hù)對(duì)車(chē)輛提出了更安全、更舒適和更高性能的需求，這極大地增加了安裝在現(xiàn)代車(chē)輛中的傳感器、執(zhí)行器和微控制器的數(shù)量，同時(shí)會(huì)增加車(chē)輛的重量和體積，不利于車(chē)輛的設(shè)計(jì)。目前，使用傳統(tǒng)電磁執(zhí)行器[5]的車(chē)輛上安裝了200多個(gè)執(zhí)行器，這些執(zhí)行器在重量、體積和可靠性方面都不是最優(yōu)的。因此，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、“功能密度”高的SMA執(zhí)行器是汽車(chē)應(yīng)用中電磁制動(dòng)器的優(yōu)秀替代品[6]，其中SMA具有更大的制動(dòng)應(yīng)力和單位體積功率輸出[7]。此外，SMA可以同時(shí)作為傳感器和執(zhí)行器。然而，它僅限于能源效率和速度不是至關(guān)重要的應(yīng)用。

3.1.3 車(chē)用SMA執(zhí)行器的應(yīng)用

許多汽車(chē)制造商都在將SMA應(yīng)用到他們的汽車(chē)上。最早商用的SMA汽車(chē)驅(qū)動(dòng)器是1989年嵌在奔馳自動(dòng)變速器中的熱響應(yīng)壓力控制閥，主要用于平穩(wěn)換擋[8]（圖1）。今天，Actuator Solutions GmbH量產(chǎn)的SMA氣動(dòng)閥被大多數(shù)汽車(chē)制造商（如：寶馬、通用、現(xiàn)代、福特、保時(shí)捷、大眾）廣泛使用，年產(chǎn)量達(dá)1 000萬(wàn)件。

圖1 奔馳SMA驅(qū)動(dòng)器[8]

在90年代中期，通用汽車(chē)開(kāi)始研究SMA[9]，截止到現(xiàn)在，他們已經(jīng)獲得了200多項(xiàng)專(zhuān)利。其生產(chǎn)的第7代雪佛蘭克爾維特是第1輛使用SMA驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)艙口排氣的車(chē)，可以更加容易地關(guān)閉后備箱蓋。菲亞特集團(tuán)旗下的Centro Ricerche Fiat(CRF)也集中參與SMA的應(yīng)用，并已發(fā)布多項(xiàng)專(zhuān)利（如：電動(dòng)防眩后視鏡(EAGLE)、前照燈執(zhí)行器、加油蓋執(zhí)行器、鎖緊機(jī)構(gòu)）。到目前為止，SMA在乘用車(chē)上的應(yīng)用很多，主要應(yīng)用是線性和主動(dòng)熱執(zhí)行器[10]。李杰鋒等提出了1種以形狀記憶合金板為驅(qū)動(dòng)元件的雙程彎曲驅(qū)動(dòng)器[11]，解決變體機(jī)翼中蒙皮大變形與承載力之間的矛盾，同時(shí)滿(mǎn)足光順性及疲勞壽命的要求。

3.2 車(chē)用SMA智能結(jié)構(gòu)

3.2.1 車(chē)用SMA智能結(jié)構(gòu)的重要性

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重乘車(chē)的舒適性、安全性。而乘坐汽車(chē)的舒適性與汽車(chē)的振動(dòng)密切相關(guān)，汽車(chē)在行駛的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)會(huì)直接或者間接影響駕駛員駕駛汽車(chē)的舒適性和乘客的乘車(chē)舒適性。因此，抑制振動(dòng)對(duì)于汽車(chē)極其重要。

Andrea Sellitto等[12]將SMA應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)載荷的概念，提出2個(gè)案例研究：擾流板后緣驅(qū)動(dòng)(非常接近航天背景)和后上面板變形的車(chē)輛。研究表明，基于SMA的智能設(shè)備具有可行性。

3.2.2 車(chē)用SMA智能結(jié)構(gòu)的研究

1972年，姚冶平提出了1種新的技術(shù)“結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)”，當(dāng)時(shí)在世界范圍內(nèi)，得到了極大的關(guān)注。到目前為止，該技術(shù)不僅廣泛地應(yīng)用到了智能材料結(jié)構(gòu)當(dāng)中，而且已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生交叉融合[13]。1989年，Rogers等人提出了通過(guò)SMA材料實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制[14]，采取的方法是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中埋入SMA纖維，利用SMA的特性修改其結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到振動(dòng)控制的目的。梅勝敏等[15]利用SMA進(jìn)行主動(dòng)控制研究，根據(jù)SMA的形狀記憶效應(yīng)，來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)氧樹(shù)脂懸臂梁的固有頻率，在懸臂梁上下表面埋入預(yù)拉伸的SMA材料，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂懸臂梁的實(shí)施振動(dòng)控制。霍永忠等[16]在梁最大拉應(yīng)力區(qū)放置已拉伸的SMA絲，然后對(duì)SMA絲進(jìn)行通電流加熱，使之收縮產(chǎn)生回復(fù)力，進(jìn)而減小拉應(yīng)力值。McGavin等[17]在框架結(jié)構(gòu)中布置SMA絲，對(duì)其進(jìn)行加熱，可以在結(jié)構(gòu)中起到抑振作用。

Motogi等人[18]研究分析了將SMA絲埋入到復(fù)合材料薄板中，由于當(dāng)溫度變化時(shí)，SMA絲的彈性模量也會(huì)隨之變化，因此，采取的方式是給SMA絲通電加熱，薄板的彈性模量也會(huì)隨之變化，從而能夠避免結(jié)構(gòu)的共振。利用FEMAP9.0軟件，Gianluca Diodati等[18]建立鑲嵌SMA絲的復(fù)合薄板模型。Baz等[19]用SMA材料研發(fā)出高彈性復(fù)合驅(qū)動(dòng)器，并且對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)利用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行主動(dòng)控制，結(jié)果顯示該驅(qū)動(dòng)器的控制效果良好。劉芹等[20]用ABAQUS軟件在Liang-Rog?ers模型的基礎(chǔ)上建立用戶(hù)材料子程序，用來(lái)模擬SMA的形狀記憶效應(yīng)以及超彈性。邵兵和任勇生[21]研究了1種動(dòng)力學(xué)模型，該模型是利用SMA材料實(shí)現(xiàn)變剛度半主動(dòng)控制的，結(jié)果表明，對(duì)梁的振動(dòng)進(jìn)行半主動(dòng)控制是1種有效的方式。

吉林大學(xué)邱晟桐基于SMA對(duì)汽車(chē)車(chē)身薄壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行研究[22]，研究沖擊作用下SMA對(duì)薄壁板結(jié)構(gòu)的抑振特性。吉林大學(xué)孫國(guó)超基于SMA對(duì)車(chē)身梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制研究[23]，通過(guò)理論分析得到SMA絲產(chǎn)生的回復(fù)力與結(jié)構(gòu)頻率的變化關(guān)系。

3.3 車(chē)用SMA離合器

此外，日產(chǎn)公司研制出了冷卻風(fēng)扇離合器，所用的材料是鎳鈦SMA材料。隨著冷卻風(fēng)扇離合器周?chē)臏囟劝l(fā)生變化，螺旋彈簧會(huì)出現(xiàn)膨脹和收縮的現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫能夠被控制，在天氣冷的時(shí)候，冷態(tài)時(shí)間能夠被縮短，在天氣炎熱的時(shí)候，還夠避免冷卻水開(kāi)鍋，從而節(jié)約能源。汽車(chē)在在結(jié)冰的路面上行駛時(shí)，為了防滑，會(huì)考慮在輪胎上安裝防滑釘。其基本原理是：根據(jù)路面的情況，防滑釘能夠自行進(jìn)行伸縮，當(dāng)防滑釘由SMA材料制成時(shí)，它可以隨著路面上溫度不斷變化，利用其自身的形狀記憶效應(yīng)，實(shí)時(shí)地調(diào)整伸縮變換。

4 SMA在汽車(chē)中應(yīng)用的趨勢(shì)分析

（1）新的“智能復(fù)合材料”能夠進(jìn)行多功能操作

SMA與其他材料組合形成形狀記憶雜化材料(Shaped Memory Hybrid Composite,SMHs)或形狀記憶復(fù)合材料(Shaped Memory Composite,SMCs)提高了材料的性能和功能，如主動(dòng)加強(qiáng)、更高的阻尼能力和韌性以及多態(tài)變化能力。這些新的“智能復(fù)合材料”能夠進(jìn)行多功能操作，比如同時(shí)進(jìn)行傳感和響應(yīng)，還可能進(jìn)行自我修復(fù)。SMA還可以靈活地以各種方式制造和設(shè)計(jì)，以生產(chǎn)新型SMA。此外，改進(jìn)的SMA顯著提高了SMA的屬性和性能(即更高的應(yīng)力和應(yīng)變)。這些新型SMA增加了SMA利用的潛力，超過(guò)了與其競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)手。SMA在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和改進(jìn)方面的巨大潛力使其對(duì)許多汽車(chē)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員更具吸引力和吸引力。汽車(chē)SMA相關(guān)的出版物和專(zhuān)利數(shù)量不斷增加，全球市場(chǎng)對(duì)智能材料的需求也隨之增長(zhǎng)，其中驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)是最大貢獻(xiàn)者[9]。

（2）SMA可以滿(mǎn)足汽車(chē)的特定功能和條件

由于SMA具有吸引人的特性和靈活性，在汽車(chē)的各種功能和條件下有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥?lái)，SMA有望應(yīng)用在對(duì)舒適性、車(chē)身功能和高功率汽車(chē)控制方面帶寬要求較低、運(yùn)行溫度適中的應(yīng)用中。因此，SMA非常適合與“線控”汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)相融合。SMA應(yīng)用中需要考慮的重要設(shè)計(jì)因素是工作溫度范圍、性能(力、沖程和汽車(chē)工程和移動(dòng)研究帶寬要求)、耐久性和可靠性。這些因素影響著SMA材料的選擇、形狀、尺寸、加載配置、設(shè)計(jì)和冷卻技術(shù)，以及集成傳感器和控制器的類(lèi)型。利用新材料和制造技術(shù)進(jìn)一步提高SMA在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，以及當(dāng)前應(yīng)用的優(yōu)化和新應(yīng)用的探索。其感興趣的領(lǐng)域是具有傳感和自修復(fù)能力的智能結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)應(yīng)用(例如“智能輪胎”和“智能氣囊”)。因此，材料科學(xué)家、工程設(shè)計(jì)師和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)人員之間的良好溝通和合作將增加SMA的市場(chǎng)應(yīng)用。與市場(chǎng)需求、最新技術(shù)和最新汽車(chē)需求保持一致的持續(xù)研究對(duì)于確保成功非常重要，例如混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)或電動(dòng)汽車(chē)(EV)中具有新電氣需求的SMA的可行性研究，這將需要更高的電壓。

（3）基于線控技術(shù)的車(chē)用SMA成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

基于線控技術(shù)的車(chē)用SMA可能會(huì)得到快速發(fā)展。在SMA應(yīng)用中要考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，如最大獲得的力和位移以及操作溫度范圍，可以通過(guò)改變所采用的SMA鋼絲的材料、尺寸和形狀進(jìn)行控制。因此，如果通過(guò)調(diào)整SMA的幾何形狀和材料特性來(lái)改進(jìn)，車(chē)用SMA執(zhí)行器、車(chē)用SMA智能結(jié)構(gòu)等將在基于線控技術(shù)的汽車(chē)上的得到更深入的研究和更廣泛的應(yīng)用。