【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經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生運動。

相比于傳統的電機、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設計等領域快速有效的轉化為科技成果。

第6節【溫度控制】

我們回顧《財哥說鈦絲》的視頻和本文第2節中提到的，鈦絲通過通電加熱，當溫度達到某個值時，發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°的溫度區間）

從105°下降到85°完成完整的位移恢復（大約20°的溫度區間）

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間觸發的，這個溫度區間，有時候會被附近的結構、元件及電流大小等因素干擾，導致出現受熱不均、溫度不夠或溫度超標等現象。

為了避免上述現象，保障鈦絲驅動的穩定運行，鈦絲的溫度控制也是相當重要的一環，我們結合實際應用過程中出現的一些問題，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熱和散熱的情況。

我們建議除了鈦絲兩端的金屬片和執行機構接觸，其他區域盡量懸空，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象。

例如規格：?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，導致結構件出現了高溫粘連、燒焦的問題。

其中，結構件和鈦絲發生粘連，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行不到位或燒壞的情況。

【環境溫度的影響】

當我們完成驅動執行機構的設計，還需要考慮環境溫度的影響。

當環境溫度偏差大于20°的區間，或超過了相變溫度范圍，往往會出現驅動溫度偏低或驅動溫度偏高的現象。

這時候，我們需要介入電路設計和軟件控制，對環境溫度施加閉環控制來消除環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！

鈦絲科技 出品

作者財哥說鈦絲

審核編輯 黃宇