專利名稱：用于中空結(jié)構(gòu)的活性材料插入件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適于與中空結(jié)構(gòu)元件一起使用的結(jié)構(gòu)插入件，更具體地涉及包括 至少一種活性材料的局部或全面插入件，所述活性材料在激活或減活(activation or deactivation)時(shí)能夠可逆地改變因此而構(gòu)成的組件的可插入性或例如硬度、阻尼、幾何構(gòu) 造的特性或能量吸收率。
背景技術(shù)：
例如金屬板、"I"形梁l(現(xiàn)有技術(shù)，圖la)、"L"和"C"形角鐵2、3(圖lb， c)、柵 格、桁架的結(jié)構(gòu)插入件以及泡沫材料已經(jīng)被開發(fā)以提供對(duì)中空元件4的加強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)它 們的預(yù)期功能，這些插入件經(jīng)常被壓配合(當(dāng)接合相對(duì)的內(nèi)表面時(shí))、拉伸或液壓成型到合 適位置，然后通常通過點(diǎn)焊或縫焊而結(jié)合到一起。 一旦結(jié)合到產(chǎn)品(例如車輛)中，缺乏到 元件內(nèi)部或其周圍空間的通路經(jīng)常導(dǎo)致不能以此方式改進(jìn)該產(chǎn)品。替代性地，插入件可在 形成中空結(jié)構(gòu)元件之前固定到合適位置。 一旦就位，元件和插入件的組件相互協(xié)作以提供 通用型結(jié)構(gòu)解決方案，其中因此而構(gòu)成的組件的特征-例如結(jié)構(gòu)能力、撓曲彈性模量以及 阻尼/能量吸收率保持不變。結(jié)果，本領(lǐng)域中總是存在常規(guī)插入件的問題，包括但不限于需 要大量勞動(dòng)和制造成本以及不能針對(duì)給定條件和/或迫近事件而改變或調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)特征。而 且，在試圖改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品時(shí)，放置插入件的常規(guī)方法也存在問題。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到前述問題，本發(fā)明涉及一種適用于中空結(jié)構(gòu)從而構(gòu)建可改變組件的活性材 料插入件，以及構(gòu)建可改變組件的方法。由于活性材料具有的可逆變化特性，本發(fā)明在選擇 性地改變組件的例如硬度、阻尼、壓碎模式/能量吸收的特性中是有用的。在優(yōu)選實(shí)施方式 中，本發(fā)明對(duì)于促進(jìn)組件的構(gòu)建是有用的。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)包括提供組件特性的主動(dòng)場(chǎng) 控制調(diào)節(jié)。最后，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，與相似的基于機(jī)械、材料、機(jī)電、液壓或氣動(dòng)的加強(qiáng)系統(tǒng)相比，使 用活性材料元件增大了能量效率，同時(shí)減小了重量和/或復(fù)雜性。
4
總體上，本發(fā)明涉及一種可改變的結(jié)構(gòu)組件，其包括限定內(nèi)部開口的中空結(jié)構(gòu)元 件以及在開口內(nèi)固定定位的至少一個(gè)插入件。插入件至少部分地由活性材料形成，所述材 料能夠分別在被激活和減活時(shí)達(dá)到不同的第一和第二狀態(tài)。所述元件和至少一個(gè)插入件協(xié) 作性地配置成在材料處于第一狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)第一組件特征值，而在材料處于第二狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn) 第二組件特征值。 本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)-包括采用形狀記憶合金、鐵磁體形狀記憶合金、形狀 記憶聚合體和/或磁流變彈性體來改變組件特征，將在下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式( 一個(gè)或多個(gè)) 的詳細(xì)描述和附圖中變得明顯。


下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式(一個(gè)或多個(gè))，附圖中圖la是 本領(lǐng)域已知的現(xiàn)有技術(shù)中空結(jié)構(gòu)和"I"形梁角鐵加強(qiáng)插入件的截面圖；圖lb是本領(lǐng)域已知 的現(xiàn)有技術(shù)中空結(jié)構(gòu)和"L"形角鐵加強(qiáng)插入件的截面圖；圖lc是本領(lǐng)域已知的現(xiàn)有技術(shù)中 空結(jié)構(gòu)和"C"形角鐵加強(qiáng)插入件的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的可改變組件 的立體圖，所述組件包括中空結(jié)構(gòu)元件和多個(gè)插入件，其都包含在車輛中；圖3是根據(jù)本發(fā) 明優(yōu)選實(shí)施方式的中空結(jié)構(gòu)和具有活性材料橫桿的"I"形梁插入件的截面圖；圖4是根據(jù) 本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的非線性結(jié)構(gòu)元件的立體圖，所述元件限定彎曲部并且具有基于活性 材料的插入件；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的中空結(jié)構(gòu)、多孔插入件以及活化磁 場(chǎng)的截面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及適于與中空結(jié)構(gòu)12 —起使用從而形成組件14的基于活性材料的插入
件10。更具體地，插入件10的至少一部分由活性材料10a制成，將在下面進(jìn)一步描述的活
性材料10a的可逆變化性有助于制造過程或?qū)崿F(xiàn)組件14的至少一個(gè)特征的變化。在本文
討論的圖示和優(yōu)選的實(shí)施方式中，基于活性材料的局部插入件10被采用和使用在車輛環(huán)
境中；例如圖1所示，多個(gè)加強(qiáng)插入件10可以被車輛16的預(yù)先存在的側(cè)軌12采用。在此
構(gòu)造中，優(yōu)選的插入件IO在激活或減活狀態(tài)下呈現(xiàn)減小的截面面積(取決于所選的活性材
料)，從而有助于在軌道或其他結(jié)構(gòu)元件內(nèi)的插入和放置。 一旦被恰當(dāng)定位，每個(gè)插入件10
被激活(或減活)從而膨脹并對(duì)元件施加保持力，由此將其鎖定在合適位置。這樣，本發(fā)明
提供了改進(jìn)現(xiàn)有車輛或結(jié)構(gòu)的中空元件的改進(jìn)方法。鎖定在合適位置還可通過插入件在膨
脹時(shí)與中空截面的任意/所有不規(guī)則幾何形狀相匹配而完全或部分實(shí)現(xiàn)。 在本發(fā)明的范圍內(nèi)可將插入件10的益處和優(yōu)點(diǎn)用于其他應(yīng)用場(chǎng)合，例如提高地
震帶中的商業(yè)大廈建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施的安全性以及改善其性能，或提高定做家具和設(shè)備的
安全性或舒適性。 I.活性材料討論和功能 本文所使用的術(shù)語"活性材料"應(yīng)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的普通意思，并且包括 當(dāng)暴露于外部信號(hào)源時(shí)在基本(例如化學(xué)或固有物理)性質(zhì)方面呈現(xiàn)可逆變化的任意材料 或復(fù)合物。因此，活性材料應(yīng)包括能夠響應(yīng)于激活信號(hào)而在硬度性質(zhì)、形狀和/或尺寸方面 發(fā)生變化的那些成分，針對(duì)不同的活性材料激活信號(hào)可采用電、磁、熱和類似領(lǐng)域的類型。
用于本發(fā)明的合適的活性材料包括但不限于形狀記憶材料_例如合金、聚合體和 陶瓷、鐵磁體形狀記憶合金以及磁流變及電流變彈性體。形狀記憶材料通常指的是具有記 住它們初始的至少一個(gè)屬性-例如形狀的能力的材料或合成物，該初始形狀隨后能夠通過 施加外部激勵(lì)而復(fù)原。這樣，從初始形狀的變形是暫時(shí)的情況。以此方式，形狀記憶材料 能夠響應(yīng)于激活信號(hào)而變成所要求的形狀。示例性形狀記憶材料包括前述形狀記憶合金 (SMA)和形狀記憶聚合體(SMP)以及形狀記憶陶瓷、電活性聚合物(EAP)、鐵磁體SMA、電流 變(ER)合成物、磁流變(MR)合成物、介電彈性體、離子聚合體金屬合成物(IPMC)、壓電聚合 體、壓電陶瓷、上述材料的各種組合物等。 形狀記憶合金(SMA)指的是一類金屬材料，當(dāng)受到合適的熱激勵(lì)時(shí)，這些材料能 夠返回到某種預(yù)先限定的形狀或者尺寸。形狀記憶合金能夠發(fā)生相變，在相變過程中其屈 服強(qiáng)度、硬度、尺寸和/或形狀作為溫度的函數(shù)而改變。術(shù)語"屈服強(qiáng)度"是指材料的應(yīng)力 和應(yīng)變比例出現(xiàn)特定偏差時(shí)的應(yīng)力。通常，在低溫或者馬氏體相時(shí)，形狀記憶合金可塑性變 形，但是當(dāng)暴露于某一較高溫度時(shí)其會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相或者母相，從而返回到其變形前的 形狀。僅當(dāng)加熱時(shí)顯現(xiàn)這種形狀記憶效應(yīng)的材料被稱為單向形狀記憶材料。當(dāng)再冷卻時(shí)還 顯現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的那些材料被稱為具有雙向形狀記憶行為。 形狀記憶合金存在于若干不同的隨溫度而變的相中。最常使用的這些相是上述所 謂的馬氏體和奧氏體相。在下面的討論中，馬氏體相泛指更容易變形的、更低溫度的相，而 奧氏體相泛指更具剛性的、更高溫度的相。當(dāng)形狀記憶合金處于馬氏體相并被加熱時(shí)，其開 始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。這種現(xiàn)象開始時(shí)的溫度常被稱為奧氏體起點(diǎn)溫度(As)。這種現(xiàn)象完成 時(shí)的溫度被稱作奧氏體終點(diǎn)溫度(Af)。 當(dāng)形狀記憶合金處于奧氏體相并被冷卻時(shí)，其開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，并且這些現(xiàn) 象開始時(shí)的溫度被稱為馬氏體起點(diǎn)溫度(Ms)。奧氏體完成轉(zhuǎn)變至馬氏體時(shí)的溫度被稱作馬 氏體終點(diǎn)溫度(Mf)。通常，形狀記憶合金在其馬氏體相時(shí)是較軟的并且更容易變形，而在奧 氏體相時(shí)是更硬的、更堅(jiān)硬的和/或更剛性的。鑒于以上所述，用于形狀記憶合金的合適的 激活信號(hào)是熱激活信號(hào)，該激活信號(hào)的大小能夠引起馬氏體和奧氏體相之間的轉(zhuǎn)變。
形狀記憶合金可呈現(xiàn)單向形狀記憶效應(yīng)、固有的雙向效應(yīng)、或非固有的雙向形狀 記憶效應(yīng)，這取決于合金成分和加工過程。退火的形狀記憶合金通常僅僅呈現(xiàn)單向形狀記 憶效應(yīng)。形狀記憶材料低溫變形之后的充足加熱將導(dǎo)致馬氏體至奧氏體類型的轉(zhuǎn)變，并且 該材料將恢復(fù)初始的、退火的形狀。因此，單向形狀記憶效應(yīng)僅僅當(dāng)加熱時(shí)被觀察到。包括 呈現(xiàn)單向記憶效應(yīng)的形狀記憶合金組合物的活性材料不會(huì)自動(dòng)地復(fù)原，并且可能會(huì)需要外 部機(jī)械力以復(fù)原成先前適于氣流控制的形狀。 固有的和非固有的雙向形狀記憶材料特征為當(dāng)兩者從馬氏體相加熱到奧氏體相 時(shí)形狀轉(zhuǎn)變，以及當(dāng)從奧氏體相冷卻回到馬氏體相時(shí)另外的形狀轉(zhuǎn)變。呈現(xiàn)固有的形狀記 憶效應(yīng)的活性材料是由形狀記憶合金組合物制造的，由于上述相變，所述形狀記憶合金組 合物將使活性材料本身自動(dòng)復(fù)原。固有的雙向形狀記憶行為必須通過加工在形狀記憶材料 中產(chǎn)生。這種過程包括在馬氏體相中在強(qiáng)制作用或負(fù)荷下加熱-冷卻時(shí)的極端變形，或表 面改性-如激光退火、拋光或噴丸處理。 一旦材料已被訓(xùn)練而呈現(xiàn)雙向形狀記憶效應(yīng)時(shí)，低 溫和高溫狀態(tài)之間的形狀變化通常是可逆的并且持續(xù)經(jīng)過高次數(shù)的熱循環(huán)。相反，呈現(xiàn)非 固有的雙向形狀記憶效應(yīng)的活性材料是將呈現(xiàn)單向效應(yīng)的形狀記憶合金組合物與提供回
6復(fù)力以復(fù)原初始形狀的另一種元素結(jié)合的復(fù)合物或多成分材料。 在被加熱時(shí)形狀記憶合金能夠記住其高溫形態(tài)時(shí)的溫度可通過合金成分的輕微 改變以及通過熱處理來調(diào)節(jié)。例如，在鎳-鈦形狀記憶合金中，它可從高于約IO(TC至低于 約-IO(TC變化。形狀復(fù)原過程出現(xiàn)在只有幾度的范圍內(nèi)，并且可以將轉(zhuǎn)變的起始和完成控 制到一度或兩度，這取決于期望的應(yīng)用和合金成分。形狀記憶合金的機(jī)械性能在跨越其轉(zhuǎn) 變的溫度范圍內(nèi)改變很大，通常為系統(tǒng)提供形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)和強(qiáng)阻尼容量。 合適的形狀記憶合金材料包括但不限于鎳_鈦基合金、銦_鈦基合金、鎳_鋁基 合金、鎳_鎵基合金、銅基合金(例如，銅_鋅合金、銅_鋁合金、銅_金和銅_錫合金)、 金_鎘基合金、銀_鎘基合金、銦_鎘基合金、錳_銅基合金、鐵_鉑基合金、鐵_鉑基合金、 鐵_鈀基合金等。合金可是二元的、三元的、或者任何更高級(jí)的，只要合金成分呈現(xiàn)形狀記 憶效應(yīng)，例如形狀取向、阻尼容量等的變化。 因此，為了本發(fā)明的目的，應(yīng)認(rèn)識(shí)到當(dāng)加熱超過其馬氏體到奧氏體相變溫度時(shí)， SMA呈現(xiàn)了 2. 5倍的模量增加和達(dá)到8%的尺寸變化(這取決于預(yù)應(yīng)變的量)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到 熱誘發(fā)SMA相變是單向的，使得一旦施加的場(chǎng)除去，將需要偏壓力回復(fù)機(jī)構(gòu)(例如彈簧)來 使SMA返回到其起始構(gòu)造。焦耳加熱能夠用于使整個(gè)系統(tǒng)可電子控制。然而，SMA中的應(yīng) 力誘發(fā)相變本質(zhì)上是雙向的。當(dāng)SMA處于其奧氏體相時(shí)應(yīng)用足夠的應(yīng)力將導(dǎo)致其變?yōu)槠涞?模量的馬氏體相，其中SMA能夠呈現(xiàn)達(dá)到8X的"超彈性"變形。施加的應(yīng)力的除去將導(dǎo)致 SMA變回到其奧氏體相，這時(shí)恢復(fù)其起始形狀和更高的模量。 也可用于本發(fā)明的鐵磁體SMA(FSMA)是SMA的子類。這些材料的行為與常規(guī)SMA 材料相似，在馬氏體和奧氏體之間具有應(yīng)力或熱誘發(fā)相變。此外，F(xiàn)SMA具有鐵磁性并且具 有強(qiáng)的磁晶各向異性，這使得外部磁場(chǎng)可以影響場(chǎng)排列的馬氏體變體的取向/份數(shù)。在去 除了磁場(chǎng)時(shí)，該材料可呈現(xiàn)完全雙向、部分雙向或單向的形狀記憶。對(duì)于部分或單向形狀記 憶，外部激勵(lì)、溫度、磁場(chǎng)或應(yīng)力可使該材料恢復(fù)到其初始狀態(tài)。完美的雙向形狀記憶可用 于使用所施加的連續(xù)功率成比例控制。單向形狀記憶最適用于軌道填充應(yīng)用。在汽車應(yīng)用 中，外磁場(chǎng)通常是通過軟磁芯電磁體產(chǎn)生的，盡管也可以使用一對(duì)Helmholtz線圈用于快 速響應(yīng)。 形狀記憶聚合物(SMP)泛指一類聚合物的材料，當(dāng)受到合適的熱激勵(lì)時(shí)，其呈現(xiàn)
出能夠返回到某種預(yù)先限定的形狀。形狀記憶聚合物能夠經(jīng)受相變，其中其形狀作為溫度
的函數(shù)而改變。通常，SMP具有兩個(gè)主要部段，硬部段和軟部段。預(yù)先限定的或者永久性形
狀可以通過熔融或者在高于最高熱轉(zhuǎn)化的溫度下加工該聚合物然后冷卻到低于該熱轉(zhuǎn)化
溫度而固化。最高熱轉(zhuǎn)化通常是該硬部段的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)或熔點(diǎn)。暫時(shí)性形狀可以
通過將該材料加熱到高于軟部段的Tg或轉(zhuǎn)化溫度、但低于該硬部段的Tg或熔點(diǎn)的溫度而固
化。當(dāng)在軟部段轉(zhuǎn)化溫度加工該材料并隨后冷卻固定該形狀時(shí)，固化了該暫時(shí)性形狀。通
過將該材料加熱到軟部段的轉(zhuǎn)化溫度之上，該材料可以被復(fù)原到永久性形狀。 例如，聚合物材料的永久性形狀可為具有基本上變直的形狀并限定第一長(zhǎng)度的
線，而暫時(shí)性形狀可為限定小于第一長(zhǎng)度的第二長(zhǎng)度的類似線。在另一個(gè)實(shí)施方式中，該材
料可呈現(xiàn)在激活時(shí)具有第一彈性模量并且在減活時(shí)具有第二彈性模量的彈簧。 永久性形狀復(fù)原所需的溫度可以被設(shè)置在約-63t:至約12(TC或以上的任何溫
度。加工該組合物和聚合物結(jié)構(gòu)本身可以使得對(duì)于期望的應(yīng)用選擇特定的溫度。對(duì)于形狀
7復(fù)原優(yōu)選的溫度是大于或等于約-301:，更優(yōu)選地大于或等于約ot:，最優(yōu)選溫度大于或等 于約5(TC。此外，對(duì)于形狀復(fù)原優(yōu)選的溫度是小于或等于約12(TC，并且最優(yōu)選小于或等于 約120。C并且大于或等于約80°C。 合適的形狀記憶聚合體物包括熱塑性材料、熱固性材料、互穿網(wǎng)絡(luò)、半互穿網(wǎng)絡(luò)或 混合網(wǎng)絡(luò)。該聚合體可以是單個(gè)聚合體或聚合體的混合物。該聚合體可以是直鏈或支鏈的 帶有側(cè)鏈或樹枝狀結(jié)構(gòu)元素的熱塑性彈性體。形成形狀記憶聚合體合適的聚合體成分包括 但不限于聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚(氨基酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸 酯、聚亞烷基、聚丙烯酰胺、聚(亞烷基)二醇、聚亞烷基氧、聚對(duì)苯二甲酸亞烷酯、聚原酸 酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚鹵乙烯、聚酯、聚交酯、聚乙醇酸交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、 聚醚酰胺、聚醚酯纖維和其共聚物。合適的聚丙烯酸酯的實(shí)例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、 聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(異丁烯酸異丁脂)、聚(甲基丙烯酸己 酯)、聚(甲基丙烯酸異癸酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯 酸甲酯)、聚(丙烯酸異丙酯)、聚(丙烯酸異丁酯)并且聚(丙烯酸十八烷酯)。其他適合 的聚合物的實(shí)例包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十八 烷基乙烯醚)乙烯乙酸乙烯酯、聚乙烯、聚(氧化乙烯)-聚(對(duì)苯二甲酸乙二酯)、聚乙烯 /尼龍(接枝共聚物)、聚己酸內(nèi)酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己內(nèi)酯)二甲基丙烯酸 酯_丙烯酸正丁酯、聚(降冰片烷基_多面體寡聚倍半硅氧烷)、聚氯乙烯、氨基甲酸乙酯/ 丁二烯共聚物、聚氨酯嵌段共聚物、苯乙烯_ 丁二烯_苯乙烯嵌段共聚物等。
因此，為了本發(fā)明的目的，應(yīng)認(rèn)識(shí)到當(dāng)加熱超過具有低玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的組分的 玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，SMP呈現(xiàn)巨大的模量下降。如果在溫度下降時(shí)維持負(fù)荷/變形，變形的 形狀將在SMP中設(shè)定直到其重新加熱，同時(shí)在沒有負(fù)荷的條件下其將返回到模制形狀。盡 管SMP可不同地用于塊，片，平板，柵格，桁架，纖維或泡沫形態(tài)，它們需要連續(xù)的功率以維 持在其低模量狀態(tài)。因此，它們適于插入件10的可逆形狀設(shè)定。 如前所述，用于本發(fā)明的合適的活性材料還可包括磁流變(MR)或電流變(ER)成 分，例如MR或ER彈性體。這些元件可進(jìn)一步包括流體介質(zhì)。這些材料基于磁場(chǎng)的應(yīng)用或電 壓降而快速地改變其流變性質(zhì)。例如，MR彈性體(MRE)是亞微米尺寸的可磁性極化的鐵粒 子在熱固性彈性聚合體或橡膠中的懸浮物。由于產(chǎn)生的對(duì)齊以及場(chǎng)中初始隨機(jī)磁化矢量之 間距離的縮短，外部磁場(chǎng)的應(yīng)用使材料變硬；并且相同的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)"磁致伸縮"，即外部磁場(chǎng) 方向上的長(zhǎng)度變化(縮短)。MR彈性體當(dāng)暴露于磁場(chǎng)幾毫秒短的時(shí)間內(nèi)通常發(fā)展了結(jié)構(gòu)。 中止MRE暴露于磁場(chǎng)將彈性體返回到其低模量狀態(tài)的過程逆向。這樣，MRE很好地適于希 望在不同操作條件下連續(xù)且可控地改變插入件有效硬度的應(yīng)用。 盡管如前所述，主要關(guān)于SMA， SMP， FSMA和MRE進(jìn)行描述，使用其他活性材料也是 在本發(fā)明的范圍內(nèi)，所述其他材料例如電活性聚合體(EAP)，其包括響應(yīng)于電場(chǎng)或磁場(chǎng)呈現(xiàn) 壓電，熱電或電致伸縮性質(zhì)的聚合物材料。關(guān)于壓電材料(PM)，應(yīng)認(rèn)識(shí)到PM可置于柔性金 屬條或陶瓷板上。該條可為單壓電晶片或雙壓電晶片。優(yōu)選地，條為雙壓電晶片，因?yàn)殡p壓 電晶片比單壓電晶片通常具有更多的移動(dòng)。
II.示例性系統(tǒng)、方法和應(yīng)用 轉(zhuǎn)向本發(fā)明的教導(dǎo)，基于活性材料的插入件10的示例性實(shí)施方式在下面討論并 在圖2-5中示出。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)12形成限定內(nèi)部高度和寬度的開口 18，并且在為了插入 而定向時(shí)，插入件10呈現(xiàn)小于開口 18的全等尺寸的最大減活高度和/或?qū)挾龋瑥亩阌诓?入。 一旦定位，當(dāng)根據(jù)所選材料激活或減活時(shí)，插入件10配置成試圖達(dá)到大于開口 18的全 等尺寸的第二高度或?qū)挾瘸叽纭８唧w地，在中空結(jié)構(gòu)12的第一和第二內(nèi)表面12a、12b(圖 3)被接合并限定內(nèi)截面尺寸時(shí)，插入件10配置成具有小于前述內(nèi)部尺寸-更優(yōu)選地小于前 述內(nèi)部尺寸的85%、最優(yōu)選地小于前述內(nèi)部尺寸的75%的第一全等長(zhǎng)度。
形狀記憶材料優(yōu)選地用于這種構(gòu)造。例如圖3所示，"I"形梁插入件10的橫桿可 由形狀記憶材料10a形成，使得當(dāng)激活或減活時(shí)，導(dǎo)致在其他插入件結(jié)構(gòu)10b上施加向外的 力(例如，梁的互連接合板)。 插入件IO可包括處于默認(rèn)馬氏體相的SMA材料，其被熱激活以引發(fā)從馬氏體到奧 氏體的相變。SMA插入件10-不管是泡沫、柵格、桁架、中空外殼、多孔的、還是其他的都被配 置成優(yōu)選地但不是必須地在其馬氏體狀態(tài)下完全填充開口 18。在激活的奧氏體狀態(tài)下，插 入件10被壓縮/變形到較小尺寸，從而允許其插入開口 18中。 一旦插入，插入件10可被 引發(fā)達(dá)到其更有延展性的馬氏體狀態(tài)，從而到達(dá)結(jié)構(gòu)12內(nèi)的難以接近的內(nèi)部位置。例如， 其可為縱向軌道部分中彎曲區(qū)域(圖4)，在此處需要以各種方式加強(qiáng)、改變硬度或防止彎 折。 替代性地，SMA插入件10可從初始的奧氏體狀態(tài)被應(yīng)力激活到馬氏體狀態(tài)并返 回。在此構(gòu)造中，奧氏體SMA插入件10被壓縮直到激活到更有延展性的馬氏體狀態(tài)、被插 入開口 18內(nèi)、然后隨著插入件IO部分或全部恢復(fù)到其奧氏體狀態(tài)而被釋放從而允許其膨 脹。應(yīng)認(rèn)識(shí)到由于其顯著的應(yīng)力/應(yīng)變磁滯循環(huán)奧氏體SMA插入件適于提供聲音和振動(dòng)阻 尼。 如上所述，本發(fā)明的該方面有助于并提供了改進(jìn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的新穎方法。而且，應(yīng)認(rèn) 識(shí)到，現(xiàn)有制造工藝_例如大多數(shù)汽車制造工藝中的固化工藝的加熱部件能夠用于激活活 性材料插入件，從而導(dǎo)致沒有額外的功率要求。 在另一個(gè)實(shí)施方式中，利用了 SMP中的熱激活硬度和形狀變化。在這方面，SMP插 入件10-不管是泡沫、柵格、桁架、中空外殼、多孔的、還是其他的和結(jié)構(gòu)12被協(xié)作地配置， 使得插入件10優(yōu)選地但不是必須地完全填充開口 18。應(yīng)認(rèn)識(shí)到在更高的溫度和更軟的狀 態(tài)下，SMP插入件10達(dá)到更小的尺寸，這允許其被插入開口 18中。在更有延展性的狀態(tài)下， SMP插入件10也能夠更好地在彎曲區(qū)域中行進(jìn)(navigate)，例如圖4所示。 一旦插入，熱 激活被保持一段時(shí)間，從而導(dǎo)致SMP插入件10緩慢地返回到其初始尺寸，或者如果較小的 話達(dá)到中空結(jié)構(gòu)12的內(nèi)部尺寸。熱激活然后停止。還應(yīng)認(rèn)識(shí)到隨著SMP材料冷卻，其硬度 大幅度增加并鎖定在SMP插入件10的新形狀中。為了移除插入件IO，或?yàn)榱私档徒M件14 的硬度，插入件IO可被重新加熱。熱激活可被動(dòng)完成，例如通過車輛16的發(fā)動(dòng)機(jī)生成的熱 能，或作為第二個(gè)例子在烘漆房中，或通過來自車輛16的充電系統(tǒng)的使用者(例如駕駛員) 致動(dòng)的焦耳加熱汲取功率。 在另一個(gè)實(shí)施方式中，F(xiàn)SMA的激活由磁場(chǎng)20的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)并用于快速地(相對(duì)于 熱或焦耳加熱)操縱插入件10的硬度和/或形狀(圖5)。在此構(gòu)造中，單向效應(yīng)通過激活 產(chǎn)生，除非場(chǎng)20能夠逆向，如應(yīng)認(rèn)識(shí)到的，停止激活場(chǎng)20本身不會(huì)使材料10a返回到其初 始狀態(tài)。類似于之前的實(shí)施方式，為了定位插入件10，場(chǎng)20被用于減小其尺寸；一旦定位，該場(chǎng)被反向從而導(dǎo)致插入件10恢復(fù)或試圖恢復(fù)到其之前的尺寸。在另一個(gè)實(shí)施方式中，插 入能夠在插入件10處于更具延展性且更容易變形的初始狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)。 一旦定位，場(chǎng)20然 后被用于產(chǎn)生形狀或硬度的改變。而且，應(yīng)認(rèn)識(shí)到插入件IO在被退活時(shí)將維持其改變的狀 態(tài)，除非場(chǎng)20被反向。 在另一個(gè)實(shí)施方式中，磁流變彈性體(MRE)被用于產(chǎn)生硬度和形狀變化。類似于 FSMA， MRE是場(chǎng)激活的，如圖5所示；然而與FSMA相反，MRE主要呈現(xiàn)雙向效應(yīng)，如應(yīng)認(rèn)識(shí)到 的，性質(zhì)(例如硬度和/或形狀)的變化與所施加的場(chǎng)的強(qiáng)度成比例。因此，為了放置插入 件10，場(chǎng)20被用于使尺寸壓縮/變形；一旦定位，場(chǎng)20被去除，從而恢復(fù)其初始尺寸。在 另一個(gè)實(shí)施方式中，插入在插入件10處于更具延展性且更容易變形的初始狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)，并 且在放置插入件10之后場(chǎng)20的應(yīng)用用于快速地改變其硬度。 在本發(fā)明的另一個(gè)方面，基于活性材料的插入件10能夠用于選擇性地改變結(jié)構(gòu) 12的狀態(tài)_例如硬度、阻尼、以及壓碎模式/能量吸收，其中所述選擇性可通過人工或自動(dòng) 方式產(chǎn)生。關(guān)于后者，插入件10可通信地聯(lián)接到至少一個(gè)傳感器22 (圖2)，所述傳感器配 置成用于檢測(cè)狀況或事件的發(fā)生并通信至插入件10。更優(yōu)選地，傳感器22和插入件10可 由控制器24互相聯(lián)接，所述控制器24配置成接收來自傳感器22的數(shù)據(jù)，將所述數(shù)據(jù)與預(yù) 定閥值進(jìn)行比較，從而預(yù)測(cè)或確定狀況或事件，并且僅當(dāng)閥值被超過且狀況或事件被預(yù)測(cè) 或確定時(shí)將激活信號(hào)發(fā)送至插入件10。例如圖2所示，車輛側(cè)軌的插入件10可僅當(dāng)車輛 16的碰撞避免安全系統(tǒng)檢查或預(yù)測(cè)到即將發(fā)生碰撞時(shí)被激活。在此方面，在提供SMP插入 件10的情況下，激活可選擇性地用于在車輛16的框架中產(chǎn)生增大的能量吸收區(qū)域。因此 有利的是，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式提供了組件特性的主動(dòng)場(chǎng)控制調(diào)節(jié)。
本文公開的范圍都是包括性的并且是可組合的(例如"達(dá)到約25wt^，或更具體 地約5wt^至約20wt^"的范圍包括端點(diǎn)和范圍"約5wt^至約25wt^"范圍內(nèi)的所有中間 值等)。"組合"包括摻混物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等。進(jìn)一步地，術(shù)語"第一"、"第二"等 在此并不意味著任何順序、數(shù)量或重要性，而是用于區(qū)別一個(gè)要素和另一個(gè)要素，本文中的 術(shù)語"一"和"一個(gè)"并不是指數(shù)量限制，而是指至少一種所引用物體的存在。和數(shù)量結(jié)合 使用的修飾語"約"是包括性的狀態(tài)值，并具有上下文規(guī)定的含義(例如其包括與特定數(shù)量 的測(cè)量相關(guān)的誤差程度)。本文所用的復(fù)數(shù)后綴用于包括其修飾的術(shù)語的單數(shù)和復(fù)數(shù)形式， 因此包括一個(gè)或多個(gè)該術(shù)語(例如著色劑(一種或多種)包括一種或多種著色劑)。在整 個(gè)說明書中所述的"一個(gè)實(shí)施方式"、"另一個(gè)實(shí)施方式"和"實(shí)施方式"等表示與該實(shí)施方 式結(jié)合描述的特定元素(例如特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和/或特征)包括在本文所述的至少一個(gè)實(shí)施方 式中，并且可以存在于或不存在于其他實(shí)施方式中。此外，應(yīng)當(dāng)理解在各個(gè)實(shí)施方式中，所 描述的元素可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行組合。 已經(jīng)參照示例性實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述；本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的是， 在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以作出各種改變，對(duì)于其中的元素可以用等價(jià)物替代。 此外，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改型以便使特定情況或材料 適用于本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明不限于作為實(shí)施本發(fā)明的預(yù)期最佳方式而公開的特定 實(shí)施方式，而是包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方式。
權(quán)利要求
一種可改變的結(jié)構(gòu)組件，包括限定內(nèi)部開口的中空結(jié)構(gòu)元件；以及在所述開口內(nèi)固定定位的至少一個(gè)插入件，所述插入件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料能夠分別在被激活和減活時(shí)達(dá)到不同的第一和第二狀態(tài)，所述元件和至少一個(gè)插入件協(xié)作性地配置成在所述材料處于第一狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)第一組件特征值，在所述材料處于第二狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)第二組件特征值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述材料選自主要由下列各項(xiàng)組成的集 合形狀記憶合金，鐵磁體形狀記憶合金，形狀記憶聚合體，磁流變彈性體，介電彈性體，離 子聚合體金屬合成物，壓電聚合體，以及壓電陶瓷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述元件為車輛的框架部件，所述組件特 征值是在碰撞事件中由所述元件吸收的能量大小。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的組件，其特征在于，所述材料通過由車輛生成或施加到車輛 上的熱能被動(dòng)地激活。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述開口限定第一內(nèi)部尺寸，并且所述插 入件在被插入且激活時(shí)全等地限定小于第一尺寸的第二尺寸，并且在被插入且減活時(shí)用于 限定大致等于或大于第一尺寸的第三尺寸，從而以各種不同方式產(chǎn)生與所述元件的內(nèi)部幾 何特征的機(jī)械互鎖或在所述元件上施加力。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的組件，其特征在于，所述第二尺寸小于第一尺寸的85%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述開口限定第一內(nèi)部尺寸，并且所述插 入件在被插入且減活時(shí)全等地限定小于第一尺寸的第二尺寸，并且在被插入且激活時(shí)用于 限定優(yōu)選大于第一尺寸的第三尺寸，從而在所述元件上施加力。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述元件進(jìn)一步限定非線性縱軸，所述縱 軸包括至少一個(gè)彎曲，并且所述插入件在被激活時(shí)處于更具延展性的狀態(tài)，從而確保所述 插入件在所述彎曲內(nèi)輕松地彎曲，并且所述插入件在被減活時(shí)處于剛性狀態(tài)，從而產(chǎn)生與 所述組件的機(jī)械互鎖并且優(yōu)選地增大所述組件的硬度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述元件進(jìn)一步限定非線性開口和至少 一個(gè)彎曲，并且所述插入件在被減活時(shí)處于更具延展性的狀態(tài)，從而確保所述插入件在所 述彎曲內(nèi)輕松地彎曲，并且所述插入件在被激活時(shí)處于剛性狀態(tài)，從而產(chǎn)生與所述組件的 機(jī)械互鎖并且優(yōu)選地增大所述組件的硬度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述插入件的構(gòu)造選自主要由下列各項(xiàng) 組成的集合"I"形梁，泡沫，柵格，桁架，中空外殼以及多孔塊。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述組件特征值限定值的變化，所述材 料由限定強(qiáng)度的磁場(chǎng)激活并達(dá)到第一狀態(tài)，所述值的變化與所述強(qiáng)度成比例。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的組件，進(jìn)一步包括通信地聯(lián)接至所述插入件的至少一個(gè)傳感器，所述傳感器配置成用于確定事件并且能 夠在確定了所述事件時(shí)使所述材料被激活。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的組件，進(jìn)一步包括通信地聯(lián)接至所述至少一個(gè)傳感器和插入件的控制器，所述控制器配置成接收來自所 述至少一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)、將所述數(shù)據(jù)與預(yù)定閥值進(jìn)行比較、并且僅當(dāng)所述閥值被超過時(shí)使所述材料被激活。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的組件，其特征在于，所述元件為車輛的框架部件，所述事件 為碰撞。
15. —種適用于中空結(jié)構(gòu)元件的插入件，所述中空結(jié)構(gòu)元件限定相對(duì)的內(nèi)表面，其中， 所述表面共同限定開口和內(nèi)部尺寸，所述插入件限定第一插入件尺寸并包括活性材料元 件，所述活性材料元件配置成將第一插入件尺寸變?yōu)榈诙迦爰叽?，所述第一和第二?入件尺寸中的一個(gè)小于所述內(nèi)部尺寸，從而有助于插入所述開口中，所述第一和第二插入 件尺寸中的另 一個(gè)大于所述內(nèi)部尺寸。
16. —種改變結(jié)構(gòu)組件的方法，所述結(jié)構(gòu)組件包括中空結(jié)構(gòu)元件，所述中空結(jié)構(gòu)元件限定開口，所述方法包括以下步驟a. 固定所述元件，從而選擇性地應(yīng)用狀況或事件；b. 將至少一個(gè)插入件固定在所述開口內(nèi)，其中，所述插入件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料能夠分別在被激活和減活時(shí)選擇性地達(dá)到不同的第一和第二狀態(tài)；以及c. 當(dāng)參與所述狀況或事件時(shí)，激活所述材料，從而達(dá)到所述第一和第二狀態(tài)中的一個(gè)， 并且通過激活所述材料而改變所述組件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述材料由激活信號(hào)激活，所述激活 信號(hào)選自主要由下列各項(xiàng)組成的集合熱力加熱，焦耳加熱，應(yīng)力激活，施加磁場(chǎng)，和化學(xué)激 活。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述材料由磁場(chǎng)激活從而達(dá)到所述第一和第二狀態(tài)中的一個(gè)，并且通過使所述磁場(chǎng)逆向而達(dá)到所述第一和第二狀態(tài)中的另一 個(gè)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，步驟a)和c)進(jìn)一步包括以下步驟選 擇性地應(yīng)用聲波和/或結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并通過激活所述材料而改變所述組件的阻尼率。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述組件包括在制造工藝中制成的車 輛，所述工藝具有油漆固化部件，并且所述材料由油漆固化部件激活并達(dá)到所述第一和第 二狀態(tài)中的一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于中空結(jié)構(gòu)的活性材料插入件。具體而言，提供了一種可改變的結(jié)構(gòu)組件，其包括位于中空結(jié)構(gòu)元件內(nèi)的基于活性材料的插入件，其中插入件限定第一插入件尺寸，所述插入件配置成在被激活時(shí)將第一插入件尺寸變?yōu)榈诙迦爰叽?，并且選擇性地達(dá)到第一或第二尺寸有助于插入件的定位，或者當(dāng)插入件被定位時(shí)改變組件的特征，所述特征例如是硬度、阻尼效應(yīng)或能量吸收率。
文檔編號(hào)B62D21/15GK101782178SQ20091022178
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者A·L·布勞恩, N·L·約翰遜 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司