鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計

【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，財哥簡稱鈦絲，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（nitidrivetech）目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。

本文通過公開分享、科普鈦絲驅動技術的可靠性設計經(jīng)驗，方便大家在機械電子工業(yè)設計等領域快速有效地轉化為科技成果。

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)品的鈦絲至關重要，我們需要檢測和驗證不同廠家的鈦絲，能否滿足自己產(chǎn)品的需求。

下面財哥從鈦絲的驅動力、鈦絲的驅動相變溫度、鈦絲的記憶特性和鈦絲的收縮率這4個方面來分享不同廠家的鈦絲特點。

1、鈦絲的驅動力

財哥在上一章節(jié)有提到這項關聯(lián)性指標，同時強調了每個不同廠家的鈦絲，驅動力是不一樣的。通常鈦絲的驅動力在150-200MPA；有些鈦絲能做到300-500MPA，有些細的鈦絲可以做到500-600MPA。

舉例來說：

假如175MPA的0.15mm線徑的鈦絲，驅動力量是315g

假如350MPA的0.15mm線徑的鈦絲，驅動力量是631g

顯然，350MPA的鈦絲，具備更加強勁的驅動力量。我們在設計產(chǎn)品的過程中，選擇高兆帕值的鈦絲，具有相當多的力量空間和余量空間。同時也奠定了我們的產(chǎn)品具備較高的可靠性和使用壽命基礎。

2、鈦絲的驅動相變溫度

鈦絲的驅動相變溫度指標，財哥從其驅動溫度、溫度偏差值、冷卻恢復溫度來講。

2.1鈦絲的驅動溫度

鈦絲的驅動驅動溫度是指鈦絲通電發(fā)生明顯的驅動收縮過程，其對應鈦絲的自身溫度。這個溫度是一個范圍值，它是從鈦絲開始發(fā)生明顯的收縮，到不再繼續(xù)收縮過程中的對應溫度范圍。

例如：以下圖片中的紅線條，描述了鈦絲的驅動收縮和對應的溫度關系曲線。

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

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

財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；

應用鈦絲驅動的產(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)門關不上的情況。后來經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)，這批鎖采用的是常溫鈦絲，相變溫度約50°，導致在夏天戶外高溫環(huán)境下鈦絲一直處于收縮狀態(tài)，無法冷卻復位。

所以我們在設計產(chǎn)品之前，需要根據(jù)應用場景的實際溫度情況，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到理想狀態(tài)，導致了鈦絲的相變溫度出現(xiàn)了一定的波動?？刂戚^好的生產(chǎn)廠家，一般可以做到20°~10°以內的偏差波動。

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。

相對高標準嚴要求的廠家至關重要，大家可以關注供應商的原材料和生產(chǎn)的管控，供應商管控越強，精準度和穩(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?。痪仍降?，相變溫度范圍越寬，相變溫度偏差值越大。

2.3冷卻恢復溫度

鈦絲的冷卻恢復是指我們給通電驅動收縮的鈦絲斷電后，鈦絲在牽引力量的前提下冷卻恢復到它原來的長度。鈦絲的冷卻恢復溫度是另一個較為重要的指標，它決定了我們的驅動機構所在的環(huán)境溫度下正常重復工作的可行性和可靠性。（MF越高，冷卻恢復越快，使用環(huán)境溫度越寬）

我們需要重視鈦絲冷卻恢復溫度的上限，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溫度的上限，那么大概率會出現(xiàn)鈦絲驅動后無法恢復的現(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溫度上限是60度，就容易發(fā)生驅動機構失靈的現(xiàn)象。

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

綜上，財哥建議大家在選擇鈦絲的時候，優(yōu)先選擇相變溫度高，相變溫度偏差值小，冷卻恢復溫度高的鈦絲廠家，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和雙程記憶效應，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和雙程記憶效應這兩種不同的特征。

單程記憶鈦絲具有以下特點：

1）通電收縮后不可逆。在產(chǎn)品應用當中，需要較大的初始載荷，使其驅動收縮后，通過這個較大的拉力來拉回到初始長度。

2）單程記憶鈦絲的應用力量的范圍較大。可達500MPA。

3）相比雙層記憶鈦絲，其狀態(tài)穩(wěn)定性較高。對于偏置力學機構的設計要求較高。

適合用在高壽命，高穩(wěn)定性的產(chǎn)品應用場景。

雙程記憶鈦絲具有以下特點：

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

2）雙程記憶鈦絲的應用力量的范圍較小，不會超過250MPA。

適合用在驅動機構特別緊湊，較小力量的場景。對偏置力和控制精度的依賴性不高的簡單驅動應用產(chǎn)品。對驅動過程中的“時間-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比圖，供各位參考：

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

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

作者：財哥說鈦絲

審核編輯 黃宇