【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經(jīng)過多道工序制成的絲，我們簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發(fā)生運動。

相比于傳統(tǒng)的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。

鈦絲驅動技術目前已經(jīng)在航空航天、洲際導彈、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。

本文通過分享、普及鈦絲驅動技術的可靠性設計，方便大家在機械電子工業(yè)設計等領域快速有效的轉化為科技成果。

第6節(jié)【溫度控制】

我們回顧《財哥說鈦絲》的視頻和本文第2節(jié)中提到的，鈦絲通過通電加熱，當溫度達到某個值時，發(fā)生明顯的收縮和位移，對應的溫度即為鈦絲的相變溫度。

鈦絲的相變溫度是個范圍值，且存在逆向滯后的現(xiàn)象。

例如相變溫度是100°的鈦絲，它的實際驅動過程是：

從95°上升到115°完成完整的位移驅動（大約20°的溫度區(qū)間）

從105°下降到85°完成完整的位移恢復（大約20°的溫度區(qū)間）

這里鈦絲的加熱驅動和冷卻恢復的過程，均是在嚴格的溫度區(qū)間觸發(fā)的，這個溫度區(qū)間，有時候會被附近的結構、元件及電流大小等因素干擾，導致出現(xiàn)受熱不均、溫度不夠或溫度超標等現(xiàn)象。

為了避免上述現(xiàn)象，保障鈦絲驅動的穩(wěn)定運行，鈦絲的溫度控制也是相當重要的一環(huán)，我們結合實際應用過程中出現(xiàn)的一些問題，給出以下幾種情況和建議：

【安全間隙】

我們產品的驅動機構結構設計過程中，一定要考慮到鈦絲的發(fā)熱和散熱的情況。

我們建議除了鈦絲兩端的金屬片和執(zhí)行機構接觸，其他區(qū)域盡量懸空，懸空距離在0.3-1.0mm。

【轉軸損失】

采用帶轉軸的驅動機構，需要考慮轉軸給鈦絲帶來的驅動位移和溫度損失。

因在結構設計過程中，驅動機構采用了金屬轉軸和鈦絲中間接觸，在我們給鈦絲加熱的過程中就可能會出現(xiàn)鈦絲兩端溫度達到了100°的驅動溫度，而中間只有70°，導致鈦絲沒有收縮驅動，造成了驅動位移量不足的現(xiàn)象。

例如規(guī)格：?0.15mm，長度100mm，繞過?5mm的軸，損失了約4mm的有效驅動長度，這根鈦絲長度100mm，實際發(fā)生有效驅動的長度是96mm。

在未能找到這個問題的真實原因時，有的工程師可能會加大控制的電流或加熱的時間，用來增加這個驅動位移。隨著溫度的上升，當鈦絲的低溫區(qū)域達到了驅動的溫度，而兩端的溫度可能就超過了鈦絲的驅動上限，從而導致其局部過燒損壞。

當轉軸采用塑料或者陶瓷時，轉軸處也會產生不同程度的驅動位移量的損失，只是相對比較少一點。

所以，驅動鈦絲經(jīng)過的轉軸或支點結構時，需要考慮這個驅動位移量（以及力量）的損失，當采用金屬轉軸或支點時，還需要考慮溫度損失。

【鈦絲過燒】

當鈦絲局部或整體溫度超過約125度以上時，存在鈦絲過燒情況，包括輕度、中度、重度過燒三種情況。

輕度過燒：鈦絲整體長度比初始長度偏短約0.5-1mm，導致冷卻恢復不到位，鈦絲輕度受損。

中度過燒：鈦絲驅動無響應、鈦絲整體長度偏長、松軟，鈦絲損壞。

重度過燒：鈦絲燒紅、燒斷，鈦絲損壞。

導致過燒的原因有電流過大、通電時間偏長、或者轉軸和接觸材質導致的受熱不均等。我們需要結合實際情況調整結構設計，結合熱工方程重新調整電流和通電時間。

【結構接觸】

驅動機構的塑膠結構部件應避免和鈦絲接觸。

我們在做驅動機構的結構設計過程中，有時存在加強筋或隔離墻的設計，這樣的設計可能讓結構部件和鈦絲有局部接觸，因長期或偶爾的接觸，導致結構件出現(xiàn)了高溫粘連、燒焦的問題。

其中，結構件和鈦絲發(fā)生粘連，會造成鈦絲驅動的時候直接拉長或拉斷。

結構件燒焦會造成驅動機構本身局部損壞或帶來燃燒的風險。

因此驅動結構材料盡量采用耐高溫材料，或盡量避免和驅動鈦絲的接觸。

【均熱隔離】

有時候驅動機構無法避免和鈦絲局部接觸的情況下，需要做均勻的隔熱處理。

例如采用高溫膠布，高溫膠紙，耐高溫塑膠件，讓其均勻和鈦絲做全面接觸，或和鈦絲的隔離距離保持均勻一致。

然后，我們可以根據(jù)隔熱材質的特征，適當加大驅動控制的電流或加熱的時間。

【材質一致】

驅動機構部件選擇同一材質，避免不同材質給鈦絲帶來不同的發(fā)熱和冷卻時間。

驅動機構和鈦絲存在較大面積接觸或距離較近的情況下，我們采用均勻的隔熱處理可能會失效，這個時候我們一定要注意接觸部分的材質。

例如：驅動機構的鈦絲，一部分和塑膠件接觸，一部分和金屬件接觸，我們即使采用了隔熱處理，但是金屬件的導熱系數(shù)比較高，導致整體溫度難以達到驅動的問題，非常容易造成驅動機構執(zhí)行不到位或燒壞的情況。

【環(huán)境溫度的影響】

當我們完成驅動執(zhí)行機構的設計，還需要考慮環(huán)境溫度的影響。

當環(huán)境溫度偏差大于20°的區(qū)間，或超過了相變溫度范圍，往往會出現(xiàn)驅動溫度偏低或驅動溫度偏高的現(xiàn)象。

這時候，我們需要介入電路設計和軟件控制，對環(huán)境溫度施加閉環(huán)控制來消除環(huán)境溫度的偏差帶來的驅動溫度的影響。（這個問題我們后面會在電路設計和軟件控制中講解）

為了讓驅動鈦絲在工業(yè)應用中切實落地，財哥制作整理了包括

《財哥說鈦絲視頻》

《SMA常見電路控制方案》

《驅動鈦絲（SMA）計算模型》

《驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計》

《驅動鈦絲（SMA）常見十大結構模型》

等系列資源供大家參考，歡迎大家的關注和交流，請點贊收藏轉發(fā)！

鈦絲科技 出品

作者財哥說鈦絲

審核編輯 黃宇