鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)（NiTiDrivetech）的可靠性設(shè)計(jì)

【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經(jīng)過多道工序制成的絲，財(cái)哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅(qū)動(dòng)鈦絲發(fā)生運(yùn)動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的電機(jī)、電磁鐵動(dòng)力，鈦絲是一種新型的動(dòng)力元件。鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)（nitidrivetech）目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、無人機(jī)、手機(jī)、汽車、機(jī)器人等科技領(lǐng)域投入使用。

本文通過公開分享、科普鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，方便大家在機(jī)械電子工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域快速有效地轉(zhuǎn)化為科技成果。

二、不同廠家生產(chǎn)的鈦絲有什么區(qū)別

目前全球的鈦絲生產(chǎn)廠家，同樣規(guī)格的鈦絲特性都有所不同，選擇合適自己產(chǎn)品的鈦絲至關(guān)重要，我們需要檢測和驗(yàn)證不同廠家的鈦絲，能否滿足自己產(chǎn)品的需求。

下面財(cái)哥從鈦絲的驅(qū)動(dòng)力、鈦絲的驅(qū)動(dòng)相變溫度、鈦絲的記憶特性和鈦絲的收縮率這4個(gè)方面來分享不同廠家的鈦絲特點(diǎn)。

1、鈦絲的驅(qū)動(dòng)力

財(cái)哥在上一章節(jié)有提到這項(xiàng)關(guān)聯(lián)性指標(biāo)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了每個(gè)不同廠家的鈦絲，驅(qū)動(dòng)力是不一樣的。通常鈦絲的驅(qū)動(dòng)力在150-200MPA；有些鈦絲能做到300-500MPA，有些細(xì)的鈦絲可以做到500-600MPA。

舉例來說：

假如175MPA的0.15mm線徑的鈦絲，驅(qū)動(dòng)力量是315g

假如350MPA的0.15mm線徑的鈦絲，驅(qū)動(dòng)力量是631g

顯然，350MPA的鈦絲，具備更加強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力量。我們在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的過程中，選擇高兆帕值的鈦絲，具有相當(dāng)多的力量空間和余量空間。同時(shí)也奠定了我們的產(chǎn)品具備較高的可靠性和使用壽命基礎(chǔ)。

2、鈦絲的驅(qū)動(dòng)相變溫度

鈦絲的驅(qū)動(dòng)相變溫度指標(biāo)，財(cái)哥從其驅(qū)動(dòng)溫度、溫度偏差值、冷卻恢復(fù)溫度來講。

2.1鈦絲的驅(qū)動(dòng)溫度

鈦絲的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)溫度是指鈦絲通電發(fā)生明顯的驅(qū)動(dòng)收縮過程，其對(duì)應(yīng)鈦絲的自身溫度。這個(gè)溫度是一個(gè)范圍值，它是從鈦絲開始發(fā)生明顯的收縮，到不再繼續(xù)收縮過程中的對(duì)應(yīng)溫度范圍。

例如：以下圖片中的紅線條，描述了鈦絲的驅(qū)動(dòng)收縮和對(duì)應(yīng)的溫度關(guān)系曲線。

我們可以看到鈦絲發(fā)生明顯收縮時(shí)候的溫度值是70°，即為鈦絲的驅(qū)動(dòng)相變溫度。

目前不同廠家標(biāo)稱的相變溫度從20°、40°、60°、80°到100°不等，且大部分的商家標(biāo)稱是有一定出入的，這需要有一定資質(zhì)的廠家才能夠提供有效的數(shù)據(jù)資料。財(cái)哥建議大家在索取樣品時(shí)，同時(shí)能夠提供相應(yīng)的參數(shù)資料，方便大家的后續(xù)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

財(cái)哥將市面上的鈦絲劃分為兩類，一類是常溫材料，一類是高溫材料；

應(yīng)用鈦絲驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品中，相變溫度越高，產(chǎn)品越不容易受到環(huán)境溫度的影響，穩(wěn)定性越好；相變溫度過低，則較容易發(fā)生故障。

例如：某戶外的快遞柜，采用了鈦絲鎖，在夏天暴曬后，柜體溫度升高，可以正常掃碼開門，但是經(jīng)常出現(xiàn)門關(guān)不上的情況。后來經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這批鎖采用的是常溫鈦絲，相變溫度約50°，導(dǎo)致在夏天戶外高溫環(huán)境下鈦絲一直處于收縮狀態(tài)，無法冷卻復(fù)位。

所以我們在設(shè)計(jì)產(chǎn)品之前，需要根據(jù)應(yīng)用場景的實(shí)際溫度情況，優(yōu)先選擇相變高溫較高的鈦絲。

2.2溫度偏差值

鈦絲是有溫度偏差范圍值的。

同一批生產(chǎn)的材料，由于鎳鈦材料的融合均勻比例不可能達(dá)到理想狀態(tài)，導(dǎo)致了鈦絲的相變溫度出現(xiàn)了一定的波動(dòng)。控制較好的生產(chǎn)廠家，一般可以做到20°~10°以內(nèi)的偏差波動(dòng)。

例如上圖紅線所示，上第一條紅線表示的是相變溫度較高的鈦絲，約90度；第二條紅線表示的是相變溫度較低的鈦絲，約70度；那么它的偏差值就是20度。

各廠家采用的原材料和熔煉工藝的不同，導(dǎo)致鈦絲表現(xiàn)出不同的相變溫度和相變溫度偏差，市面上常見的鈦絲相變溫度偏差有20度~50度不等。

相對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求的廠家至關(guān)重要，大家可以關(guān)注供應(yīng)商的原材料和生產(chǎn)的管控，供應(yīng)商管控越強(qiáng)，精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性一定是越好的。

原材料配比和熔煉工藝的精度越高，相變溫度范圍越窄，相變溫度偏差值越小；精度越低，相變溫度范圍越寬，相變溫度偏差值越大。

2.3冷卻恢復(fù)溫度

鈦絲的冷卻恢復(fù)是指我們給通電驅(qū)動(dòng)收縮的鈦絲斷電后，鈦絲在牽引力量的前提下冷卻恢復(fù)到它原來的長度。鈦絲的冷卻恢復(fù)溫度是另一個(gè)較為重要的指標(biāo)，它決定了我們的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所在的環(huán)境溫度下正常重復(fù)工作的可行性和可靠性。（MF越高，冷卻恢復(fù)越快，使用環(huán)境溫度越寬）

我們需要重視鈦絲冷卻恢復(fù)溫度的上限，是否和我們的環(huán)境溫度接近或重疊。如果出現(xiàn)環(huán)境溫度接近或高于鈦絲冷卻恢復(fù)溫度的上限，那么大概率會(huì)出現(xiàn)鈦絲驅(qū)動(dòng)后無法恢復(fù)的現(xiàn)象。

例如：戶外產(chǎn)品，特別是夏天高溫環(huán)境，如果采用的鈦絲冷卻恢復(fù)溫度上限是60度，就容易發(fā)生驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)失靈的現(xiàn)象。

目前多廠家在標(biāo)示這些數(shù)據(jù)的時(shí)候，往往以范圍值的形式標(biāo)示，極其容易混淆（有些連廠家自己都分不清楚）。

綜上，財(cái)哥建議大家在選擇鈦絲的時(shí)候，優(yōu)先選擇相變溫度高，相變溫度偏差值小，冷卻恢復(fù)溫度高的鈦絲廠家，從而提高大家產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

3、鈦絲的記憶特性

市面上主流的鈦絲分為單程記憶效應(yīng)和雙程記憶效應(yīng)，由于各廠家加工的工藝不同，生產(chǎn)出來的鈦絲具有單程記憶效應(yīng)和雙程記憶效應(yīng)這兩種不同的特征。

單程記憶鈦絲具有以下特點(diǎn)：

1）通電收縮后不可逆。在產(chǎn)品應(yīng)用當(dāng)中，需要較大的初始載荷，使其驅(qū)動(dòng)收縮后，通過這個(gè)較大的拉力來拉回到初始長度。

2）單程記憶鈦絲的應(yīng)用力量的范圍較大。可達(dá)500MPA。

3）相比雙層記憶鈦絲，其狀態(tài)穩(wěn)定性較高。對(duì)于偏置力學(xué)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求較高。

適合用在高壽命，高穩(wěn)定性的產(chǎn)品應(yīng)用場景。

雙程記憶鈦絲具有以下特點(diǎn)：

1）通電收縮后可自行恢復(fù)。它記得冷的狀態(tài)和熱的狀態(tài)，在產(chǎn)品當(dāng)中，我們只需要較小的初始載荷，就可以迅速恢復(fù)到原來的長度。

2）雙程記憶鈦絲的應(yīng)用力量的范圍較小，不會(huì)超過250MPA。

適合用在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特別緊湊，較小力量的場景。對(duì)偏置力和控制精度的依賴性不高的簡單驅(qū)動(dòng)應(yīng)用產(chǎn)品。對(duì)驅(qū)動(dòng)過程中的“時(shí)間-行程”控制要求不高的產(chǎn)品。

目前大部分廠家生產(chǎn)的鈦絲是單程記憶鈦絲，也有少部分廠家的鈦絲是雙程記憶鈦絲，大家可以根據(jù)自己的產(chǎn)品特性和要求來選擇合適的類型鈦絲。

3、鈦絲的收縮率

財(cái)哥測試了市面上常見的鈦絲，發(fā)現(xiàn)不同廠家的鈦絲通電收縮位移是不一樣的，從3%~5%不等。

下面是給出的不同廠家的鈦絲收縮率對(duì)比圖，供各位參考：

這個(gè)收縮率為樣品測試參考，在高壽命的前提下，這個(gè)值會(huì)有一定的衰減。當(dāng)然驅(qū)動(dòng)收縮率越大，產(chǎn)品的位移容量空間和壽命越好，所以財(cái)哥給大家的建議也是優(yōu)先選擇較大位移收縮率的鈦絲。

（關(guān)于記憶合金的種類應(yīng)該是單程、雙程、全程，由于我們主要用前兩種，全程的未在文中說明。另外財(cái)哥在專家的指導(dǎo)意見下，就原來寫的本章節(jié)的錯(cuò)誤部分做了糾正，在此由衷感謝金老的支持和無私貢獻(xiàn)！）

作者：財(cái)哥說鈦絲

審核編輯 黃宇