磁控形状记忆合金特性及其执行器应用基础研究

【摘要】：磁控形状记忆合金(Magnetically Controlled Shape Memory Alloy简称MSMA)是近几年出现的一种新型功能材料,该材料在马氏体条件下外加磁场可以使其有较大的变形率,并具有形状记忆功能,力能密度大,响应频率高,有望成为新一代智能驱动器和传感器的关键材料。目前国内外对其研究主要集中在微观结构、温度和材料组成成分、磁感生应变等方面,对其应用研究较少。本文主要在对MSMA材料特性实验研究的基础上,进行了该种材料在执行器中的应用基础研究。 首先研究了MSMA的变形机理、马氏体择优取向的过程,分析了MSMA样品的微观结构和物理特性。然后根据相界面摩擦理论,推导了MSMA系统热力学参量的表达式,计算了不同样品马氏体相变过程中界面摩擦所消耗的能量。结果表明相界面运动消耗的能量仅占相变潜热的很小部分,且相变潜热越大,相界面运动的摩擦耗能越小,正是相变过程中的界面摩擦导致了相变的热滞后。 由于MSMA材料的温度、压力、磁场和变形率之间是一个复杂的非线性多变量系统,目前难以对其特性进行定量分析,为此利用自行设计的实验装置,对MSMA材料在不同温度、磁场、预压力下的外特性进行了系统的实验研究,提出了一种测量MSMA材料相对导磁率的方法,研究了利用弹簧恢复形变的静、动态变化规律,并对导磁率的非线性关系进行了实验研究。在实验研究的基础上,建立了忽略温度变化的执行器系统的数学模型。 尽管MSMA的变形率较大,但直接用以制造大行程的直线驱动器比较困难,一是需要用较多的MSMA材料,成本较高;二是体积大所需励磁功率较大。因此利用仿生学蠕动原理设计了MSMA直线驱动器,将MSMA小步距的位移累加形成直线驱动器所需要的大行程。设计制作了样机,实现了大步距的双向运动,对励磁电流、位移和通电频率之间的关系进行了探讨。 提出了一种采用永磁体产生偏磁磁场的MSMA差动控制策略,可以减小励磁功率、消除温度影响和提高控制精度。研制了首台差动式MSMA执行器实验样机,进行了交、直流实验研究,验证了控制策略和设计方法的可行性。