工程师开发用于执行器的形状记忆材料

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种基于陶瓷的材料,这种材料可以用于飞机或其他用途的高效执行器,并且运动部件最少。

通过大卫·l·钱德勒 2022年10月18日
由麻省理工学院提供

形状记忆金属可以简单地通过加热或其他方式触发从一种形状恢复到另一种形状,在各种应用中都很有用致动器可以控制各种设备的运动。现在,一种由陶瓷而不是金属制成的新型形状记忆材料的发现,可能会开辟一系列新的应用领域,特别是在高温环境下,比如喷气发动机或深钻孔内的致动器。

这项新发现今天发表在该杂志上自然该论文由麻省理工学院材料科学与工程系的前博士生Edward Pang博士和Gregory Olson教授以及Christopher Schuh教授共同撰写。

Schuh解释说,形状记忆材料有两种不同的形状,并且可以在它们之间来回切换。他说,它们很容易被温度、机械应力、电场或磁场触发,以一种施加力的方式改变形状。

“它们是有趣的材料,因为它们有点像固态活塞,”他说——换句话说,一种可以推动物体的装置。但是,虽然活塞是由许多部件组成的,但形状记忆材料是一种固态材料,可以完成所有这些工作。它不需要一个系统。它不需要很多零件。它只是一种材料,它会自发地改变形状。它可以做功。所以,作为一种‘智能材料’,它很有趣。”

形状记忆金属长期以来一直被用作各种设备中的简单执行器,但受到所用金属可达到的使用温度的限制,通常最多为几百摄氏度。陶瓷可以承受更高的温度,有时高达数千度,但以其脆性而闻名。现在,麻省理工学院的研究小组已经找到了一种方法来克服这一问题,并生产出一种陶瓷材料,这种材料可以在不累积损伤的情况下驱动,从而使其作为形状记忆材料在许多使用周期中可靠地发挥作用。

“世界上的形状记忆材料,它们都是金属的,”Schuh说。“当你在原子水平上改变材料的形状时,会产生很多损伤。原子必须重新洗牌并改变其结构。随着原子的移动和重组,很容易把它们放在错误的地方,造成缺陷,损坏材料,导致它们疲劳,最终分崩离析。”

他补充说:“你最终得到的材料可以变形几次,但最终它们会降解并分解。由于金属具有很强的延展性,因此它们具有更强的抗损伤性,因此该领域真正关注的是金属,因为当金属内部受损时,它可以忍受它。”

相比之下,陶瓷就不能很好地承受损伤,通常不会弯曲,而是会断裂。氧化锆是一种已知具有形状记忆特性的材料,但它在形状记忆周期中很容易累积损伤——这种特性被称为高迟滞。“我们想做的是设计一种新的陶瓷,专门针对这种滞后。我们想设计一种陶瓷,它的(形状)变化在某种程度上仍然是巨大的:我们想做很多工作。但在内部,在原子尺度上,它更温和。”

Schuh解释说,领导这项工作的Pang“使用了所有的现代科学工具,所有你能想到的东西——计算热力学、相变物理学、晶体学计算、机器学习——他把所有这些工具以一种全新的方式组合在一起”,以解决制造这种材料的问题。

图表显示了形状记忆材料氧化锆陶瓷的两种不同的原子结构配置方式。温度变化等外部触发因素可以将结构从一种形状转变为另一种形状,改变其尺寸并允许其施加压力或做其他工作。背景是材料的电子显微镜图像,两种颜色表示两种不同的结构。由麻省理工学院提供

图表显示了形状记忆材料氧化锆陶瓷的两种不同的原子结构配置方式。温度变化等外部触发因素可以将结构从一种形状转变为另一种形状,改变其尺寸并允许其施加压力或做其他工作。背景是材料的电子显微镜图像,两种颜色表示两种不同的结构。由麻省理工学院提供

结果是氧化锆的一个新变种。“基本上,它是氧化锆,”Schuh说。“它的外观、气味和味道就像人们已经知道和使用的氧化锆,包括珠宝中的立方氧化锆。”但是一些不同元素的原子被引入到它的结构中,从而改变了它的一些性质。这些元素“溶解在晶格中,塑造它,改变这种转变,使它在原子尺度上更温和。”

Schuh说,这种迟滞变化如此之大,以至于它现在类似于金属。“这是一个巨大的、巨大的变化——我们谈论的是10倍的变化。”这种材料的变形量可以达到10%左右,这意味着这种材料的一根杆在被触发时可以延长10%,这足以做大量的工作。

形状记忆材料的一个常见应用是安全阀,如果一个容器的某些东西超过某个临界温度,该阀门就会被热量触发,自动打开以释放压力并防止爆炸。新的陶瓷材料现在可以将这种能力扩展到比现有材料可以处理的温度更高的情况下。

例如,引导喷气发动机内部气流的执行器可能是一个有用的应用,Pang说。虽然那里的整体环境很热,但有各种各样的气流通道受到控制,因此这些气流可以用来触发形状记忆陶瓷,根据需要将较冷或较热的空气引导到设备上。

舒赫说,如今,存在的形状记忆陶瓷“在某种程度上是实验室的好奇心”,因为它们在几个循环后就会分解。“这是朝着制造能够重复可靠地多次运行的东西的方向迈出的一步。”

该团队计划继续探索这种材料,寻找更大规模、更复杂形状的生产方法,并测试其承受多次循环转化的能力。

Schuh说,这个项目首先吸引他的是它的广泛应用潜力。“我们对复杂的机械系统做了很多事情,这些系统有很多零件和组件,而且你可以用一种具有原子尺度内置功能的材料来取代复杂的东西。对我来说,这很有吸引力,因为它可以把大而复杂的东西变成小而简单的东西。”在某种程度上,这就像用晶体管取代真空管。”

虽然很难预测这种材料的首次实际应用领域,但Schuh说,例如,“很难缩小液压活塞的尺寸。在微观尺度上很难做到。”但是现在,“在非常小的尺度上,你有一个固态版本的想法——我一直觉得微观尺度运动有很多应用。小地方的微型机器人,芯片上的实验室阀门,许多需要驱动的小东西都可以从这样的智能材料中受益。”

德克萨斯农工大学材料科学与工程教授Raymundo Arroyave表示,这些研究人员“展示了如何将材料科学知识、合理的设计原则和创造性思维结合起来,发现原本被认为不可能找到的材料。”他没有参与这项工作。他说,这项工作“完美地展示了合理的‘材料科学思维’的力量,它以经过良好测试的材料设计原则为基础,证明形状记忆陶瓷可以拥有接近其金属同类中一些最好的特性。”

-编辑克里斯Vavra,网络内容经理,控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com


作者简介:麻省理工学院新闻处