本發(fā)明涉及兩步驅(qū)動(dòng)的niti記憶合金薄帶材料及其制法與應(yīng)用，尤其涉及一種加熱或冷卻過程中實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的niti記憶合金薄帶材料及其制備方法與應(yīng)用，屬于智能材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

通常驅(qū)動(dòng)器大多以電磁原理，搭配復(fù)雜的機(jī)構(gòu)完成驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。這種驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，尺寸微型化。同時(shí)驅(qū)動(dòng)器中零部件數(shù)量較多，也會(huì)導(dǎo)致制造成本上升并使工作可靠性下降。

形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器為利用形狀記憶合金材料在高溫相與低溫相互相轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的變形和回復(fù)力達(dá)到驅(qū)動(dòng)目的，與傳統(tǒng)機(jī)械或者電磁驅(qū)動(dòng)方式相比較最顯著的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量耗散小，而且，形狀記憶合金易于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器微型化和自動(dòng)化。

目前，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器主要是利用形狀記憶合金的單程記憶效應(yīng)和雙程記憶效應(yīng)。單程驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，但不能實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；而雙程驅(qū)動(dòng)器自身可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力極不對(duì)稱，通常需要偏置彈簧的協(xié)助。另外，雙程驅(qū)動(dòng)器很難準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)高溫和低溫兩方面的形狀，而且在升溫或?qū)⒔禍剡^程中其僅能實(shí)現(xiàn)一步驅(qū)動(dòng)。

因此，本領(lǐng)域亟需開發(fā)一種在加熱或冷卻過程中能實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的形狀記憶合金材料及其制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于上述問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種加熱或冷卻過程中實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的niti記憶合金薄帶材料。

本發(fā)明的另一目的在于提供前述niti記憶合金薄帶材料的制備方法。

本發(fā)明的再一目的在于提供前述niti記憶合金薄帶材料的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種加熱或冷卻過程中實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的niti記憶合金薄帶材料，以該材料的總量計(jì)，其包括以下成分：原子比為(1:1)-(1.1:1)的ti元素和ni元素，ti、ni兩種元素的原子百分?jǐn)?shù)之和為100％；

其中，該材料由擇優(yōu)取向的馬氏體變體組成，僅包括單一b19’-niti相，該niti記憶合金薄帶材料兩側(cè)的平均晶粒尺寸不同，一側(cè)平均晶粒尺寸大于另一側(cè)平均晶粒尺寸，小晶粒一側(cè)的馬氏體相變溫度低于大晶粒一側(cè)的馬氏體相變溫度。

如上所述，本發(fā)明薄帶材料由擇優(yōu)取向的馬氏體變體構(gòu)成，薄帶材料兩側(cè)的晶粒尺寸不同，一側(cè)晶粒尺寸大于另一側(cè)晶粒尺寸，且兩側(cè)的馬氏體相變溫度不同，較小晶粒一側(cè)的相變溫度低于較大晶粒一側(cè)的相變溫度。該材料在加熱過程中，薄帶材料具有較小晶粒一側(cè)先發(fā)生馬氏體逆相變而發(fā)生形狀收縮，導(dǎo)致薄帶材料向較小晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，隨著溫度升高，具有較大晶粒一側(cè)發(fā)生馬氏體逆相變而發(fā)生形狀收縮，導(dǎo)致薄帶材料向較大晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，實(shí)現(xiàn)了在升溫過程中薄帶材料的兩次驅(qū)動(dòng)變形。在冷卻過程中，薄帶材料具有較大晶粒一側(cè)先發(fā)生馬氏體相變而發(fā)生形狀伸長(zhǎng)，導(dǎo)致薄帶材料向較小晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，隨著溫度降低，具有較小晶粒一側(cè)發(fā)生馬氏體相變而發(fā)生形狀伸長(zhǎng)，導(dǎo)致薄帶材料向較大晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，實(shí)現(xiàn)了在降溫過程中薄帶材料的兩次驅(qū)動(dòng)變形。在多次重復(fù)升溫至降溫過程中，該薄帶材料可呈現(xiàn)與在第一次升溫-降溫過程中相似的兩步驅(qū)動(dòng)變形，證明該薄帶材料在升溫至降溫的加熱或冷卻過程中具有了兩步驅(qū)動(dòng)的功能特性。此外，本發(fā)明材料非常容易獲得，其通過常規(guī)熔煉、甩帶、變形處理等常規(guī)操作即可獲得。

作為本發(fā)明前述niti記憶合金薄帶材料的一具體方式，其中，該材料一側(cè)平均晶粒尺寸為20～500納米，另一側(cè)平均晶粒尺寸為2～10微米。

本發(fā)明對(duì)前述niti記憶合金薄帶材料的寬度和厚度不作限定，不同寬度及厚度的材料可根據(jù)實(shí)際需要制作。例如其厚度為20～100微米，寬度為1～100毫米。

另一方面，本發(fā)明提供前述的加熱或冷卻過程中實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的niti記憶合金薄帶材料的制備方法，其包括以下步驟：

(1)制備馬氏體態(tài)的niti甩帶材料；

(2)在溫度不大于50℃的環(huán)境中(例如在溫度為5℃、10℃、20℃、30℃、40℃或45℃等環(huán)境中)，對(duì)步驟(1)所得馬氏體態(tài)的niti甩帶材料實(shí)施單軸拉伸變形處理，并使其變形量為3％～10％。

在上述的制備方法中，實(shí)施的單軸拉伸變形量為3～10％，能夠使薄帶的自適應(yīng)馬氏體變體轉(zhuǎn)變?yōu)閾駜?yōu)取向的馬氏體變體。本發(fā)明單抽拉伸變形量為3％～10％是指相對(duì)于拉伸前材料的長(zhǎng)度，拉伸后材料長(zhǎng)度的增加量為3％～10％。

作為本發(fā)明前述步驟(1)的一具體實(shí)施方式，其包括熔煉、均勻化退火處理、切割及甩帶加工。

作為本發(fā)明前述熔煉的一具體實(shí)施方式，其包括按照所述niti記憶合金薄帶材料的成分配比選取純度在99wt.％以上的單質(zhì)鎳、鈦；及

將選取的單質(zhì)鎳、鈦放入真空度高于10^-1pa或惰性氣體保護(hù)的熔煉爐中進(jìn)行熔煉，得到niti合金鑄錠。

在本發(fā)明熔煉過程中，根據(jù)最終材料成分，將ti、ni的原子比控制在(1:1)-(1.1:1)的特定比例，ti、ni兩種元素的原子百分比之和為100％，能夠使得到的鑄錠具有高的塑性變形能力和良好的可逆馬氏體相變特性。

作為本發(fā)明前述均勻化退火處理、切割的一具體實(shí)施方式，其包括以下步驟：

對(duì)所得niti鑄錠進(jìn)行均勻化處理，均勻化退火處理溫度為900～1000℃，處理時(shí)間4～10小時(shí)；然后將均勻化退火處理后的niti鑄錠切割成小塊。

本發(fā)明均質(zhì)化退火處理通過高溫均質(zhì)化處理可以消除或減少鑄錠內(nèi)成分不均勻的組織狀態(tài)，能夠提高材料的使用性能。

作為本發(fā)明前述甩帶處理的一具體實(shí)施方式，其是將熔融待甩帶料液滴至旋轉(zhuǎn)的銅輪上進(jìn)行的，優(yōu)選地，在其過程中控制待甩帶材料的溫度為1200～1300℃。

作為本發(fā)明前述甩帶處理的一具體實(shí)施方式，在其過程中控制甩帶輪的速率為10m/s～40m/s。

在上述甩帶加工過程中，將控制甩帶溫度為1200～1300℃，甩帶速率為10m/s～40m/s，能使所得薄帶型材的厚度均勻、表面光滑，兩側(cè)的晶粒尺寸合適，薄帶的質(zhì)量較高。

如前所述niti記憶合金薄帶材料可以ti、ni金屬單質(zhì)為原料，通過熔煉、均質(zhì)化退火處理、甩帶加工及適度單軸拉伸變形處理制備得到，其制備方法非常簡(jiǎn)便，所采用的各種設(shè)備和具體的工藝方法均是常用設(shè)備和方法；通過對(duì)工藝參數(shù)和工藝步驟的調(diào)整和控制，可以得到不同厚度和寬度的帶材。

在本發(fā)明方法中，其可通過常規(guī)熔煉和甩帶加工處理，可以得到薄帶型材，薄帶型材兩側(cè)的晶粒尺寸不同，其均由自適應(yīng)馬氏體變體組成，通過單軸拉伸變形處理，薄帶型材中的自適應(yīng)馬氏體變體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袚駜?yōu)取向的馬氏體變體，獲得了具有兩步驅(qū)動(dòng)特性的niti記憶合金薄帶材料。該薄帶材料在加熱過程中發(fā)生兩次相反方向的彎曲變形，而在冷卻過程中，其同樣發(fā)生兩次相反方向的彎曲變形，從而使該薄帶材料在加熱或冷卻過程中實(shí)現(xiàn)了兩步驅(qū)動(dòng)變形。

更優(yōu)選地，本發(fā)明所述制備方包括以下步驟：

按照所述niti記憶合金薄帶材料的成分配比選取純度在99wt.％以上的單質(zhì)鎳、鈦；

將選取的單質(zhì)鎳、鈦放入真空度高于10^-1pa或惰性氣體保護(hù)的熔煉爐中進(jìn)行熔煉，得到niti鑄錠；

對(duì)所得的鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理，采用的均勻化溫度為1000℃，處理時(shí)間為4～10小時(shí)；

對(duì)經(jīng)均質(zhì)化退火處理后的鑄錠進(jìn)行甩帶加工處理，得到薄帶型材；

在溫度不大于50℃的環(huán)境中(例如在溫度為5℃、10℃、20℃、30℃、40℃或45℃等環(huán)境中)，對(duì)該薄帶型材進(jìn)行單軸拉伸變形3～10％處理，得本發(fā)明所述實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的niti記憶合金薄帶材料。

優(yōu)選地，本發(fā)明方法中的步驟均是在真空度高于10^-1pa或惰性氣體保護(hù)的熔煉爐中進(jìn)行。

再一方面，本發(fā)明提供了前述在加熱或冷卻過程中實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的niti記憶合金薄帶材料在制備形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用；

優(yōu)選地，所形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器為雙程驅(qū)動(dòng)器。

基于本發(fā)明材料的功能特性能夠制備出雙程驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，尺寸微型化。

綜上可知，本發(fā)明提供了一種niti記憶合金薄帶材料及其制備方法，該niti記憶合金薄帶材料具有在加熱或冷卻過程中實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的功能特性，所述制備方法簡(jiǎn)單方便，該niti記憶合金薄帶材料可用于制備形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器，特別是雙程驅(qū)動(dòng)器。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1中薄帶材料的宏觀照片。

圖2是實(shí)施例1中薄帶材料經(jīng)過適當(dāng)腐蝕處理后，薄帶材料靠近甩帶銅輪面一側(cè)和自由面一側(cè)的掃描電鏡照片。

圖3是實(shí)施例1中單軸拉伸變形前薄帶型材的二維高能xrd圖。

圖4是實(shí)施例1中單軸拉伸變形7％后薄帶材料的二維高能xrd圖。

圖5是實(shí)施例1中單軸拉伸變形前薄帶材料的dsc曲線圖。

圖6是實(shí)施例1中單軸拉伸變形7％后薄帶材料的dsc曲線圖。

圖7是實(shí)施例1中沒有經(jīng)單軸拉伸變形處理的薄帶材料在升溫過程中的視頻截圖。

圖8是實(shí)施例1中經(jīng)單軸拉伸變形7％處理后薄帶材料在升溫過程中兩步驅(qū)動(dòng)變形的視頻截圖。

圖9是實(shí)施例1中經(jīng)單軸拉伸變形7％處理后薄帶材料在降溫過程中兩步驅(qū)動(dòng)變形的視頻截圖。

圖10是實(shí)施例2中單軸拉伸變形3％后薄帶材料的二維高能xrd圖。

圖11是實(shí)施例2中經(jīng)單軸拉伸變形3％處理后薄帶材料在升溫過程中兩步驅(qū)動(dòng)變形的視頻截圖。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中，各原始試劑材料均可商購(gòu)獲得，未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法為所屬領(lǐng)域熟知的常規(guī)方法和常規(guī)條件，或按照儀器制造商所建議的條件。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種在加熱或冷卻過程中實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的niti記憶合金薄帶材料，其是通過以下步驟制備得到的：

(1)按ti和ni原子比1：1的配比選取純度為99.9wt.％的鈦，純度為99.9wt.％的鎳，其中，ti、ni的原子百分?jǐn)?shù)之和為100％；

(2)將上述原材放入真空紐扣熔煉爐中，在0.5mpa氬氣保護(hù)下將其熔煉成鑄錠；

(3)對(duì)所得鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理，采用的均勻化溫度為1000℃，時(shí)間為5小時(shí)；

(4)將經(jīng)均質(zhì)化退火處理后的鑄錠切成小塊，并將小塊打磨干凈用丙酮清洗；

(5)將清洗過的小塊材料放入石英管中，隨后裝入甩帶機(jī)中；

(6)在氬氣保護(hù)下，設(shè)定甩帶銅輪的轉(zhuǎn)速為20m/s；

(7)在甩帶機(jī)中利用感應(yīng)線圈對(duì)石英管中的小塊鑄錠材料進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度示數(shù)達(dá)到1250℃時(shí)，將石英管中近似液態(tài)的金屬噴射到轉(zhuǎn)速為20m/s的甩帶銅輪表面，得到金屬薄帶型材；該薄帶型材厚度約為50μm，寬度約為2mm。

(8)將步驟(7)中的薄帶型材在20℃下進(jìn)行變形量為7％的單軸拉伸變形處理，得到在加熱或冷卻過程中具有兩步驅(qū)動(dòng)特性的niti記憶合金薄帶材料，所得薄帶材料的宏觀照片如圖1所示。

圖2是本實(shí)施例所得薄帶材料靠近甩帶銅輪一側(cè)(a)和自由面一側(cè)(b)的掃描電子顯微電鏡照片，從圖中可以看出薄帶材料靠近甩帶銅輪面一側(cè)的平均晶粒尺寸約為200nm，而靠近自由面一側(cè)的平均晶粒直徑約為5μm，由此表明，薄帶材料靠近甩帶銅輪面一側(cè)的晶粒尺寸明顯小于靠近自由面一側(cè)的晶粒尺寸。

圖3是單軸拉伸變形處理前薄帶材料的二維高能xrd圖，可以看出薄帶材料只含有單一b19’-niti相；另外，從圖可以看出各衍射環(huán)上的衍射強(qiáng)度分布均勻，由此表明，在單軸拉伸變形前薄帶材料由自適應(yīng)的馬氏體變體構(gòu)成。

圖4是單軸拉伸變形7％后薄帶材料的二維高能xrd圖，可以看出薄帶材料仍只含有單一b19’-niti相組成；但是，圖中各衍射環(huán)上的衍射強(qiáng)度分布不均勻，由此表明，在單軸拉伸變形后薄帶材料由擇優(yōu)取向的馬氏體變體構(gòu)成。比較圖4與圖3，可以看出，單軸拉伸變形處理使得自適應(yīng)馬氏體變體轉(zhuǎn)變?yōu)閾駜?yōu)取向馬氏體變體。

圖5是單軸拉伸變形前薄帶材料的dsc曲線圖，從圖中可以看出在降溫過程中薄帶材料的dsc峰不對(duì)稱，表明降溫過程中薄帶材料兩側(cè)的馬氏體相變溫度的稍有差異。

圖6是經(jīng)過單軸拉伸變形7％后薄帶材料的dsc曲線圖，從圖中可以看出在降溫過程中薄帶材料的dsc峰為明顯的雙峰，表明經(jīng)單軸拉伸變形處理后薄帶材料兩側(cè)的馬氏體相變溫度差別較大。比較圖6與圖5，可以看出，單軸拉伸變形處理可以明顯加大薄帶材料兩側(cè)的馬氏體相變溫度的差值。

圖7是沒有經(jīng)過單軸拉伸變形處理的薄帶材料在升溫過程中的視頻截圖。從圖中可以看出，在加熱過程中，薄帶材料沒有發(fā)生任何彎曲變形。

圖8和圖9分別是經(jīng)單軸拉伸變形7％處理后薄帶材料在升溫和降溫過程中兩步驅(qū)動(dòng)變形的視頻截圖。從圖中可以看出，在加熱過程中，薄帶材料具有較小晶粒一側(cè)先發(fā)生馬氏體逆相變而發(fā)生形狀收縮，導(dǎo)致薄帶材料向較小晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，隨著溫度升高，具有較大晶粒一側(cè)發(fā)生馬氏體逆相變而發(fā)生形狀收縮，導(dǎo)致薄帶材料向較大晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，實(shí)現(xiàn)了在升溫過程中薄帶材料的兩次驅(qū)動(dòng)變形。在冷卻過程中，薄帶材料具有較大晶粒一側(cè)先發(fā)生馬氏體相變而發(fā)生形狀伸長(zhǎng)，導(dǎo)致薄帶材料向較小晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，隨著溫度降低，具有較小晶粒一側(cè)發(fā)生馬氏體相變而發(fā)生形狀伸長(zhǎng)，導(dǎo)致薄帶材料向較大晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，實(shí)現(xiàn)了在降溫過程中薄帶材料的兩次驅(qū)動(dòng)變形。

在多次重復(fù)升溫-降溫過程中，該薄帶材料可呈現(xiàn)與在第一次升溫-降溫過程中相似的兩步驅(qū)動(dòng)變形，由此說明，本實(shí)施例提供的niti記憶合金薄帶材料在升溫-降溫加熱(冷卻)過程中具有了兩步驅(qū)動(dòng)的功能特性。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種在加熱或冷卻過程中實(shí)現(xiàn)兩步驅(qū)動(dòng)的niti記憶合金薄帶材料，其是通過以下步驟制備得到的：

本實(shí)施例(1)-(7)步驟與實(shí)施例1中(1)-(7)步驟相同。

(8)將步驟(7)中的薄帶型材在20℃下進(jìn)行變形量為3％的單軸拉伸變形處理，得到在加熱或冷卻過程中具有兩步驅(qū)動(dòng)特性的niti記憶合金薄帶材料。

圖10是單軸拉伸變形3％后薄帶材料的二維高能xrd圖，可以看出薄帶材料只含有單一b19’-niti相組成；但是，圖中各衍射環(huán)上的衍射強(qiáng)度分布不均勻，由此表明，在單軸拉伸變形后薄帶材料由擇優(yōu)取向的馬氏體變體構(gòu)成。比較圖10與圖3，可以看出，單軸拉伸變形3％處理使自適應(yīng)馬氏體變體轉(zhuǎn)變?yōu)閾駜?yōu)取向的馬氏體變體。比較圖10與圖4，可以看出，經(jīng)單軸拉伸變形3％處理得到馬氏體變體的取向程度低于單軸拉伸變形7％處理得到馬氏體變體的取向程度。

圖11是經(jīng)單軸拉伸變形3％處理后薄帶材料在升溫過程中兩步驅(qū)動(dòng)變形的視頻截圖。從圖中可以看出，在加熱過程中，薄帶材料具有較小晶粒一側(cè)先發(fā)生馬氏體逆相變而發(fā)生形狀收縮，導(dǎo)致薄帶材料向較小晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，隨著溫度升高，具有較大晶粒一側(cè)發(fā)生馬氏體逆相變而發(fā)生形狀收縮，導(dǎo)致薄帶材料向較大晶粒一側(cè)發(fā)生彎曲變形，實(shí)現(xiàn)了在升溫過程中薄帶材料的兩次驅(qū)動(dòng)變形。比較圖11與圖8，可以看出，經(jīng)單軸拉伸變形3％處理后薄帶樣品的兩步驅(qū)動(dòng)的變形量小于經(jīng)單軸拉伸變形7％處理后薄帶材料兩步驅(qū)動(dòng)的變形量。

在多次重復(fù)升溫-降溫過程中，該薄帶材料可呈現(xiàn)與在第一次升溫-降溫過程中相似的兩步驅(qū)動(dòng)變形，由此說明，本實(shí)施例提供的niti記憶合金薄帶材料在升溫-降溫加熱(冷卻)過程中具有了兩步驅(qū)動(dòng)的功能特性。

最后說明的是：以上兩個(gè)實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的實(shí)施過程和特點(diǎn)，而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)中。