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形状记忆合金智能混凝土电热驱动升温速率试验研究与分析

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铁道科学与工程学报 2023年第5期20卷 1858-1870页

作者：匡亚川王少华彭志威樊凡谢杰光中南大学土木工程学院湖南长沙410075 广东顺德电力设计院有限公司广东佛山528300

将形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)应用于混凝土结构中,利用SMA的形状记忆效应可以控制并恢复结构的变形,实现混凝土裂缝的主动修复。为提高SMA电热驱动升温速率,提出一种在SMA表面缠绕漆包线后再涂刷隔热胶的新型加热方法。通过... 详细信息

将形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)应用于混凝土结构中,利用SMA的形状记忆效应可以控制并恢复结构的变形,实现混凝土裂缝的主动修复。为提高SMA电热驱动升温速率,提出一种在SMA表面缠绕漆包线后再涂刷隔热胶的新型加热方法。通过SMA智能混凝土试件电热驱动试验和有限元瞬态热分析,研究分析升温速率、漆包线绝缘隔热方法以及温度场分布规律。试验结果表明,所提出的新型加热方法可以显著提高SMA升温效率,缩短加热激励时间;导热性能较差的隔热胶可以有效地减少传递给混凝土的热量,进而减轻温度变化对混凝土的不利影响,且隔热胶的隔热性能越好,混凝土温度变化程度越小;漆包线通电加热激励驱动SMA时,加热速率快,且漆包线通电电流强度远远小于SMA直接通电的电流强度;无黏结SMA混凝土试件梁内存在天然的空气隔热层,与有黏结SMA混凝土试件梁相比,采用相同的电热驱动方法和电流强度驱动SMA时,无黏结SMA混凝土试件梁的升温速率更快,且混凝土温度变化更小。有限元瞬态热分析结果表明,试件中混凝土各测点试验升温曲线与有限元计算升温曲线吻合较好,通电结束时,试件各测点的实测温度值与有限元计算温度值基本一致,最大相差2.5℃。研究成果可为SMA智能混凝土提供一种快速的电热驱动方法。

关键词：形状记忆合金智能混凝土电热驱动升温速率瞬态热分析温度场

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U型微电热驱动器理论模型及瞬态位移特性

哈尔滨工业大学学报 2023年第1期55卷 24-31页

作者：卢星帆王新杰陈浩南京理工大学机械工程学院南京210094

针对电热驱动器材料参数受温度的非线性影响以及简化模型中存在的非连续性边界问题,开展U型电热驱动器的瞬态位移特性研究。引入与温度相关的材料更新函数,根据能量守恒方程等热力学理论以及虚功原理等材料力学理论建立U型电热驱动器的... 详细信息

针对电热驱动器材料参数受温度的非线性影响以及简化模型中存在的非连续性边界问题,开展U型电热驱动器的瞬态位移特性研究。引入与温度相关的材料更新函数,根据能量守恒方程等热力学理论以及虚功原理等材料力学理论建立U型电热驱动器的电-热-力耦合模型。利用改进型切比雪夫谱方法求解所构建的耦合模型,得到U型电热驱动器温度和瞬态位移表达式;对U型电热驱动器瞬态位移进行有限元仿真和理论分析,理论分析和仿真结果大致相同,验证了模型的正确性。搭建电热驱动器瞬态位移特性实验平台,将恒定电压激励下的U型电热驱动器位移响应实验结果与理论和仿真结果进行对比分析,并对周期性正弦电压作用下驱动器的瞬态位移特性进行了测试和分析,结果表明:一段时间后U型微电热驱动器位移变化趋势同样呈现正弦规律变化,且变化周期与电压周期相等;U型微电热驱动器的位移变化幅度与电压峰峰值正向变化,与电压频率负向变化。所获得的瞬态位移变化规律为U型微电热驱动器在微机电系统中的动态驱动应用奠定了基础。

关键词：电热驱动瞬态位移特性耦合切比雪夫谱方法边缘检测微动态测量

电热驱动人工肌肉可变刚度仿生软体机械手研究

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电热驱动人工肌肉可变刚度仿生软体机械手研究

作者：石强盛杰中北大学

学位级别：硕士

传统刚性机械手具有刚性较大、控制复杂、操作环境要求较高,环境适应性差、人机交互性不足等缺点,而软体机械手的出现则极大弥补了刚性机械手的不足之处。本文针对现有的技术做设计改进,研制了一种电热驱动人工肌肉且可变刚度的仿壁虎... 详细信息

传统刚性机械手具有刚性较大、控制复杂、操作环境要求较高,环境适应性差、人机交互性不足等缺点,而软体机械手的出现则极大弥补了刚性机械手的不足之处。本文针对现有的技术做设计改进,研制了一种电热驱动人工肌肉且可变刚度的仿壁虎软体机械手。机械手主体由坚韧的硅橡胶底座与三根相同的软手指组成,软体机械手的手指为分层结构并分别实现相应的功能,主要包括下层具有蘑菇状微结构的黏附薄膜、中间层可变刚度的热塑性聚氨酯弹性体薄膜以及上层作为驱动功能的人工肌肉,三层结构通过胶粘组合成型。针对手指各层结构的功能与机械手本体进行相关性能测试,结果如下:1)通过软光刻的方式制备了具有蘑菇状微结构模具,并通过浇筑的方式固化脱模后得到具有微结构的薄膜。设计制造了直径为10μm、20μm、30μm和40μm的蘑菇状微结构薄膜样品,光镜与电镜下均呈现较好的形貌。在最大黏附力与预紧力关系实验中二者基本呈现正相关的关系。实验结果显示直径20μm微结构薄膜样品在0.8 N预紧力下黏附效果最好。测试20μm微结构薄膜样品黏附力与时间、黏附力与薄膜变形量以及薄膜变形量与时间之间的关系实验中薄膜样品的最大黏附力与变形量均符合实验规律。在接触角实验中,各组薄膜样品的实验结果均高于没有结构的空白对照组,薄膜的疏水性有很大提高,对于提升薄膜的自清洁性以及防污防水性有一定效果。2)通过热压的方式制备了熔点为60℃的热塑性聚氨酯弹性体薄膜,并制备了用于动态热机械分析实验与拉伸实验的样品。在动态热机械分析实验中得到样品储能模量、损耗模量以及损耗角三项参数随温度变化的数据,其储能模量在初始温度19.89℃时为44.8405 MPa,结束时达到最小值0.42171 MPa;损耗模量在19.89℃时为2.0324 MPa,升温结束时达到最小值0.1268 MPa。实验从材料本身的性质反映了热塑性聚氨酯弹性体薄膜在温度升高时刚度减小,温度降低时刚度增大的特性。在拉伸实验中,得到6组不同温度下样品的应力应变曲线,并绘制了样品的弹性模量与温度之间关系的散点图,材料的弹性模量随温度的升高而降低,最后达到熔点60℃后弹性模量为0.00055 MPa并且不再变化,实验结果显示所选材料满足软体机械手工作过程中变刚度的功能需求。3)通过不同绘图软件设计手指的结构并通过3D打印制作手指模具。在模具中浇筑调配好的复合材料,室温固化成型后脱模得到驱动层人工肌肉。在探究石墨烯的含量与人工肌肉传热性能的关系实验中,制备了石墨烯含量不同的七组样品并在加热过程中记录各组样品的温度变化情况,实验结果表明样品的温升速率与最大温度都与石墨烯含量呈正相关,且含量越高,温升效果越明显。随后测量了各组样品的导热系数与热扩散系数,二者随石墨烯含量增加均有一定程度提升,实验结果也说明石墨烯的加入可以增加人工肌肉的传热能力并提高软体机械手的工作效率。4)将制备好的三层结构裁剪并胶粘,固化后得到完整的手指。对手指施加24.92 V电压进行弯曲测试,50 s时手指开始膨胀弯曲,75 s时弯曲效果明显且基本达到弯曲最大程度。在直流电源的加持下测试装配成型的软体机械手的抓握能力,分别抓取形状大小质量均不相同的三种物体,实验结果显示一定时间后,软体机械手三根手指开始膨胀弯曲,可以适应不同物体的外形轮廓并抓握起实验物体,在远离桌面的位置停留一定时间,冷却后手指形变恢复得以释放物体,手指各层结构均发挥各自作用协同运作,实验结果符合预期。

关键词：软体机械手壁虎仿生变刚度电热驱动

碳纤维“骨架”柔性电热驱动器的制备及其自形变性能

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毛纺科技 2021年第7期49卷 75-79页

作者：张晓慧杜鲜晶田明伟曲丽君青岛大学纺织服装学院山东青岛266071 省部共建生物多糖纤维成形及生态纺织国家重点实验室山东青岛266071

柔性驱动器在软体机器人、人工肌肉、人机交互等领域具有广阔的应用前景,但现今电热驱动器普遍存在弯曲变形幅度小、驱动力不足的问题,极大地限制了其实际应用。针对此问题,文章选用碳纤维作为“骨架”材料,加入石墨烯/聚酰亚胺复合界面... 详细信息

柔性驱动器在软体机器人、人工肌肉、人机交互等领域具有广阔的应用前景,但现今电热驱动器普遍存在弯曲变形幅度小、驱动力不足的问题,极大地限制了其实际应用。针对此问题,文章选用碳纤维作为“骨架”材料,加入石墨烯/聚酰亚胺复合界面中,制备具有三明治结构的电热驱动器。碳纤维“骨架”柔性驱动器的机械性能和自形变性能明显增强,最优驱动器在6 V电压下可弯曲109°,响应时间为10 s,输出力为7.25 mN(其质量的10.3倍)。由此,制备了一个自爬行机器人,可在218 s内向前爬行54 mm,展示了其在柔性机器人领域的应用潜能。

关键词：柔性驱动器碳纤维石墨烯电热驱动驱动力

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电热驱动薄膜的制备优化与系统测试

电热驱动薄膜的制备优化与系统测试

作者：朱稚童苏州大学

学位级别：硕士

热气动式电热驱动器件应用于办公打印和材料研究,其高可靠性微驱动基于液体发射,因此,相应的结构设计及材料要求都较高。其核心原理是由电热驱动薄膜本身的热传导,激发液体气泡成核,成核气泡生长、融合并最终驱动液滴的发射行为。评价... 详细信息

热气动式电热驱动器件应用于办公打印和材料研究,其高可靠性微驱动基于液体发射,因此,相应的结构设计及材料要求都较高。其核心原理是由电热驱动薄膜本身的热传导,激发液体气泡成核,成核气泡生长、融合并最终驱动液滴的发射行为。评价气动式电热驱动的液滴发射性能,不仅需要聚焦薄膜本身,而且要观察气泡成核效果,更需要检测液滴发射状态。虽然,惠普和佳能公司已有比较完善的薄膜设计制造方法和测试系统,但是,国内相对缺乏系统而深入的工程研究与探索。本研究首先参考电热驱动薄膜制备原理,使用反应磁控溅射炉制备电热驱动TaN薄膜;通过控制N2流量来优化薄膜质量,得到厚度为1500 A,方阻为85 Ω/□的电热驱动薄膜。通过搭建气泡成核观察系统,观察比对电热驱动薄膜成核状态;利用液滴发射测量系统,量化阈值电压、驱动电压和寿命等参数维度,验证薄膜制备优化效果。研究表明:(1)通过控制N2流量能够有方向性地改变电热驱动薄膜方阻;(2)优化后的电热驱动薄膜,其气泡成核状态接近标准成核规则;(3)优化后的薄膜其阈值电压稳定,驱动电压重复性较好;薄膜的寿命最大可达6亿次发射。因此,对于热气动式电热驱动薄膜,一方面,若无其他材料因素影响,N2流量控制是改善TaN薄膜性能的主要因素;另一方面,评价热气动式电热驱动薄膜的驱动性能,需要通过系统观察和测量,才能更直观地判断。本文的研究具有一定的工程研究价值,制备优化的方向和性能测试的方法对国内相关研究领域可作一定补充。

关键词： TaN薄膜电热驱动气泡成核观察系统液滴发射测量系统

鞘—芯碳纳米管复合纤维人工肌肉的制备及其电热驱动性能研究

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鞘—芯碳纳米管复合纤维人工肌肉的制备及其电热驱动性能研究

作者：王英明江苏大学

学位级别：硕士

人工肌肉是一种能够在外界激励条件下产生伸缩、弯曲、扭转及其组合等运动形式的柔性驱动器,其在微型机械、软体机器人等领域具有重要的应用前景。碳纳米管纤维拥有高导电、高导热、高拉伸强度以及良好的柔性等优异性能。利用加捻技术... 详细信息

人工肌肉是一种能够在外界激励条件下产生伸缩、弯曲、扭转及其组合等运动形式的柔性驱动器,其在微型机械、软体机器人等领域具有重要的应用前景。碳纳米管纤维拥有高导电、高导热、高拉伸强度以及良好的柔性等优异性能。利用加捻技术可将其制成螺旋卷绕型人工肌肉实现伸缩驱动。然而应变小、响应速度慢、循环稳定性差等仍是限制其广泛应用的主要瓶颈问题。本文针对以上瓶颈,提出了一种新颖的鞘-芯结构,并制备了具有大应变、高频响应特性的鞘-芯碳纳米管复合纤维人工肌肉。主要内容和结果如下:(1)研究制备工艺对碳纳米管纤维人工肌肉及肌肉纱线基本特性的影响:搭建了人工肌肉加捻装置,对人工肌肉纤维进行加捻实验研究,结果表明,人工肌肉纱线的加捻角随着加捻捻度的增加而增大。当捻角在43°时,纱线开始出现螺旋结构。纱线不同位置的捻角会随半径的减小而减小直至中心捻角为零。人工肌肉的弹簧指数随着加捻负载的增加而减小,结构上更为紧凑;通过加捻和滴加挥发性有机溶剂可以提高碳纳米管纱线的拉伸强度。当捻角为20°时,纱线拉伸强度达到最大值330 MPa,滴加乙醇可将拉伸强度提高到424 MPa。纱线的电导率随捻度的增加呈现为先增加后减小。复合有机硅橡胶对碳纳米管纱线的电导率基本无影响,纱线的电导率会随温度的升高而增加。(2)借助人工肌肉应变测试装置研究不同组装结构人工肌肉的大应变输出性能:鞘-芯碳纳米管复合纤维人工肌肉最大输出应变可达23.2%,是全浸润人工肌肉的1.2倍、纯碳纳米管纤维人工肌肉的23倍。肌肉收缩应变随着输入功率的增加而增加,且在相同输入功率下,鞘-芯人工肌肉应变大于其余两种人工肌肉。输出能量密度随着负载的增加而增大,在1 Hz的方波电压频率下,鞘-芯人工肌肉的能量密度最高为1.63k J/kg,远高于全浸润人工肌肉,约为哺乳动物骨骼肌的42倍。采用高强度的聚酰亚胺纤维作为内芯,极大地提高了肌肉的循环稳定性,在4.2 MPa的负载下,经历8500个1 Hz驱动循环后的肌肉应变保有率仍高达94.1%。(3)鞘-芯人工肌肉大应变输出性能优化研究:选取不同型号硅橡胶作为客体复合材料,结果表明硅橡胶的热膨胀系数越大,肌肉的收缩应变越大,硅胶的硬度越低,肌肉的负载能力也越低,其中PDMS作为复合材料时肌肉的综合性能较好。对比了不同内芯捻度人工肌肉的应变,发现内芯捻度越高,应变越大。调控鞘-芯人工肌肉的鞘-芯比,发现鞘-芯比为0.37左右的肌肉表现出较好的驱动性能,过薄的鞘层将无法提供足够的体积膨胀,过厚的鞘层则会增加肌肉的负担。(4)鞘-芯人工肌肉高频响应特性研究:独特的鞘-芯结构使人工肌肉表现出卓越的高频响应特性,在8 Hz时拥有高达57.6%/s的应变速率,并且肌肉温度可以在0.5 s内从150℃降到18.6℃。通过增加对肌肉的输入功率可以提升肌肉的收缩速率。对鞘-芯人工肌肉进行升降温模拟与实验研究,发现鞘层厚度越小即鞘-芯比越小,鞘层升降温的速率越快。最后,利用大应变高频响应的鞘-芯人工肌肉作为驱动源制作出软体爬行机器人,其可以在狭小空间执行特定任务,该机器人爬行速度可达26 mm/min。

关键词：人工肌肉碳纳米管鞘-芯结构柔性驱动器电热驱动

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电热驱动式机械锁定微开关的研究

电热驱动式机械锁定微开关的研究

作者：张颖上海交通大学

学位级别：硕士

MEMS微开关是采用MEMS技术制备的一类重要的元器件。它与传统的开关相比,具有体积小、功耗低、接触电阻小、响应速度快、易于电路集成批量制造等优点。本文主要介绍了一种电热驱动式机械锁定微开关,从结构设计、材料选择、微加工工艺制... 详细信息

MEMS微开关是采用MEMS技术制备的一类重要的元器件。它与传统的开关相比,具有体积小、功耗低、接触电阻小、响应速度快、易于电路集成批量制造等优点。本文主要介绍了一种电热驱动式机械锁定微开关,从结构设计、材料选择、微加工工艺制备、性能测试等方面进行了研究。本文设计的微开关将两个双层膜电热微驱动器,以悬臂梁形式构成开关的可动部件,并形成上下交错的空间结构,通过机械锁定实现双稳态,从而克服电热驱动器功耗大的缺点。本文主要的研究内容及结论包括以下几点:首先,根据双层膜电热微驱动器基于双金属片效应的驱动模式,提出了整个微开关的工作原理,并在此基础上介绍了微开关的实体结构,讨论了双层膜电热微驱动器的驱动层和偏置层的材料选择。采用热力机械分析仪TMA重点分析了电泳漆聚合物材料的热膨胀系数,所得结果为66.91e-5（K-1）,并用此方法测试了电镀镍薄膜的热膨胀系数（1.45e-5（K-1））,由于热膨胀系数之间的较大差异,对双层膜电热微驱动器来说,这两种材料是较合适的材料组合。利用所测得的材料参数,对单臂电热微驱动器进行了ANSYS有限元仿真,比较了采用不同的电阻丝形状设计的电热微驱动器,在相同的加载条件下,位移场分布与温度场分布的差异,从而进一步分析了微开关结构设计的合理性和可行性。然后,讨论了电泳聚合物的制备和图形转移方法。设计了三个探索实验,从与微开关加工工艺兼容的角度,比较了采用掩膜电沉积进行图形转移和传统的掩膜刻蚀进行图形转移。得出传统的图形转移方法能够与微开关的加工工艺兼容,但是存在耗时长的缺点;掩膜电沉积的图形转移方法简单快捷,但会使光刻胶炭化,在与微开关的加工工艺兼容方面存在一定的缺陷。于是引进了一种新型的低温电泳漆,在120℃的条件下实现成膜固化,而不会对光刻胶产生影响。在探索实验的基础上,重点介绍了三维表面微加工工艺对微开关的制备,其中着重讨论了制备工艺中与铜牺牲层刻蚀相关的工艺、关于Cr/Au种子层刻蚀的细节工艺步骤、低温电泳漆在微开关中的应用。最后,测试了微开关器件的性能。对微开关器件电学性能的测试,先从微开关的单臂梁入手,分析得出采用10%的占空比器件翘曲效果最佳,另外在考虑施加的峰值电流大小时,需要以电阻丝能承受的最大功耗为依据。测试得到14Ω的单臂电热微驱动器,在峰值电流为80mA,占空比为10%时,翘曲位移为58.1μm,能够达到设计要求的56μm,初步验证了所设计微开关的可行性。为保证微开关能够实现双稳态性能,提出了一种时序双脉冲驱动方式,重点介绍了实现此驱动方式的时序电信号的设计原理与应用,包括仿真芯片、按键模块和数码管显示模块等。利用输出此时序电信号的电路板搭建了测试平台,结果在示波器中捕捉到了电热微开关所连接的外部电路的导通信号,说明本次设计的电热驱动式机械锁定微开关能够形成搭接,实现双稳态。

关键词：电热驱动机械锁定双层膜电泳沉积时序双脉冲电信号微开关

基于电热驱动压阻检测的悬臂梁传感器的设计仿真和工艺加工

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基于电热驱动压阻检测的悬臂梁传感器的设计仿真和工艺加工

作者：谭博仁北京交通大学

学位级别：硕士

随着MEMS、NEMS和纳米制备工艺的发展,器件的微小化、集成化已经成为常规需求。扫描探针传感器的发展,为纳米级探测、扫描、信息存储、光刻和直写等方面推进了一大步。自驱动自检测微悬臂梁传感器以高度集成化、体积小巧和制备简单的特... 详细信息

随着MEMS、NEMS和纳米制备工艺的发展,器件的微小化、集成化已经成为常规需求。扫描探针传感器的发展,为纳米级探测、扫描、信息存储、光刻和直写等方面推进了一大步。自驱动自检测微悬臂梁传感器以高度集成化、体积小巧和制备简单的特点,在形貌检测和无掩膜光刻直写方面有显著的优势。其中电热驱动的悬臂梁传感器,具有驱动效率高、提供稳定振幅、可控性强的驱动力和制备工艺简单的优势。在扫描探针光刻（SPL）领域,尤其是面向光刻功能的热驱动型探针方面,国内没有相关研究。目前,热驱动探针显微传感器完全依赖国外进口。针对微悬臂梁传感器可以实现多功能集成化、实时检测及便携式应用,也为了弥补国内这一研究的空缺,我们利用理论计算结合有限元分析方法,借助COMSOL Multiphysics仿真平台,对电热驱动型的悬臂梁传感器进行设计,并与现有的文献和实验进行比较验证,进行压阻式谐振反馈的电路设计,获得了以下主要结果:1.经过从结构上和材料上的设计和仿真,我们提出电阻镂空型电热驱动压阻检测悬臂梁,相较于现有的德国Nano Analytik公司的SPL悬臂梁传感器,在尺寸相同的情况下,温度驱动效率提高了49.6%;功率驱动效率提高了68.8%;传感器的压阻灵敏度为3.77 m V/100μN,非线性度为0.04%;优化了中间绝缘层和顶层的厚度比关系,形变量提升23.8%。2.基于现有的微纳加工工艺,设计了电阻镂空型的加工工艺流程,包括针尖制备、压阻掺杂、低压气相沉积、离子注入、磁控溅射、光刻和湿法刻蚀等等共计8个步骤,设计了7个掩模版。计划于微电子所微纳加工工艺线完成器件制备和性能测试。致力于实现一款具有自驱动、自检测功能的多层复合材料微悬臂梁传感器。

关键词：悬臂梁电热驱动压阻检测镂空结构

电流对NiTiCu形状记忆合金丝电热驱动特性的影响

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机械工程材料 2016年第8期40卷 16-18,52页

作者：朱深亮董洪波张贵华吴宇龙熊昱航赵海波南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063

通过对NiTiCu形状记忆合金丝加载不同电流,研究了电流及其加载时间对该合金丝变形速率和变形时间的影响,得到了电流与变形时间的经验关系式。结果表明:合金丝的变形时间随着电流的增大迅速减小,但当电流增加到一定值后,变形时间趋向平稳... 详细信息

通过对NiTiCu形状记忆合金丝加载不同电流,研究了电流及其加载时间对该合金丝变形速率和变形时间的影响,得到了电流与变形时间的经验关系式。结果表明:合金丝的变形时间随着电流的增大迅速减小,但当电流增加到一定值后,变形时间趋向平稳;当电流一定时,合金丝的变形角度均随电流加载时间的延长先缓慢再快速增大,最后趋向平稳,可见合金丝的变形速率先增加后减小;由电流与变形时间的经验关系式得到的曲线与测试数据吻合较好。

关键词： NiTiCu合金形状记忆效应电热驱动电流变形时间