可调节的车辆结构部件和用于选择性地改变其机械性能的方法

专利名称：可调节的车辆结构部件和用于选择性地改变其机械性能的方法
可调节的车辆结构部件和用于选择性地改变其机械性能的方法 背景
本发明公开大致涉及可调节的车辆结构部件，更具体地说，涉 及包括活性材料的可调节的车辆结构部件，这种活性材料适合于响 应于激活信号而发生至少一个特性上的变化。
目前已经采用了许多方法来调整或修改车辆结构部件的刚度和 抗压强度。这种方法包括使用车辆结构的材料和横截面几何形状上 的局部或全局变化，以及对空心的4黄截面的泡沫填充。然而，所有 这些方法提供了固定的响应，并且通常是不能按要求根据场合进行 调节的。因此，该方法是有限的，并且不能针对不同的撞击场合而 改变，以适应不同的操作要求。
因此，当前仍需要一种可实现在需要时选择性地调整车辆结构 部件的机械性能的方法。
发明概要
本发明所公开的是车辆结构部件和用于选择性地改变其机械性 能和/或结构性能的方法。可调节的车辆结构部件包括至少一个活性 材料部分，其适合于响应于激活信号而选择性地发生至少一个特性 上的变化，其中，所述至少一个特性上的变化改变了车辆结构部件 的机械性能和/或结构性能。
用于选择性地改变车辆结构部件的机械性能的方法，其包括将 激活信号施加于活性材料，其中活性材料操作上与车辆结构部件相
联；以及响应于激活信号而引起活性材料的至少一个特性上的变化， 其中车辆结构部件的机械性能和/或结构性能随着活性材料的至少一
个特性上的变化而改变。在一个实施例中，用于为车辆结构部件提供预定的弯曲路径的 方法包括，将激活信号施加于至少一个活性材料上，其中至少一个
活性材料操作上与车辆结构部件的非活性部分相联；以及响应于激
活信号而改变活性材料的至少一个特性，其中至少一个特性上的变 化限定了用于车辆结构部件的预定的弯曲路径。
在另 一个实施例中，用于为车辆结构部件提供压溃起始点或起 始区域的方法包括，将激活信号施加于至少一个活性材料上，其中， 所述至少 一个活性材料在操作上与车辆结构部件的非活性部分相
联；以及响应于激活信号而改变活性材料的至少一个特性，其中，
所述至少一个特性上的变化限定了用于车辆结构部件的压溃起始点
或起始区域。
通过以下附图和详细描述，将举例说明上述特征以及其它特征。 附图简介
现在参看这些附图，其是示例性的实施例，并且相似的元件用 相同的标号来表示


图1是根据本发明公开的一个实施例的车辆结构部件的横截面 的示意图，其包括在激活之前的活性材料的局部断面；
图2是图1的车辆结构部件在激活活性材料以限定预定的弯曲 路径时的横截面的示意图3是根据本发明公开的一个实施例的车辆结构部件的横截面 的示意图，其包括在激活之前的活性材料的局部断面；
图4是图3的车辆结构部件在激活活性材料以限定预定的弯曲 路径时的横截面的示意图5显示了根据本发明公开的一个实施例的车辆结构部件的透 视图，其包括在激活之前和在激活之后的活性材料；
图6显示了根据本发明公开的一个实施例的车辆结构部件的横 截面的示意图，其包括在激活之前和在激活之后的活性材料；图7显示了根据本发明公开的一个实施例的车辆结构部件的横 截面的示意图，其包括在激活之前和在激活之后的活性材料。
详细描述
这里公开的是可调节的车辆结构部件。如这里所用的用语"车辆
结构部件"指组成车辆的各个部分，其包括但不局限于各种支柱、力口
强部件、导轨、框架部件、防晃杆、车辆底盘部件、緩沖器构件、
轴架组件构件等等。另外，车辆结构部件可包括面板或车辆中的外
壳状结构，例如车门面板、遮光罩面板、车身面板、甲板盖等等。
本领域中的技术人员在参看本发明的公开后，将可以清楚其它合适 的车辆部件或构件。
车辆结构部件通常包括活性材料，其可选择性地被激活，从而 提供结构部件刚度和强度上的变化。活性材料可形成整个结构部件 或可形成局部区域或可形成涂层或薄膜，其根据所需的应用场合而 协同地且选择性地改变底层结构(例如板)的刚度、强度和/或形状。如 这里所用的用语"活性材料"指当施加激活信号时，在至少一个特性例 如形状、尺寸、剪切力、形状定向、相位、挠曲模量和包括至少其 中一个前述特性的組合特性上出现变化的材料。
合适的活性材料包括但不局限于形状记忆合金(SMA),形状记忆 聚合物(SMP)，磁性形状记忆材料(MSMA),压电材料，电介质弹性 体，电活性聚合物，磁流变(MR)弹性体等等，以及包括至少其中一 种前述活性材料的組合。
现在转到图1和图2,显示了一个示例性的车辆结构部件10, 其包括在操作上与非活性结构14相联的活性材料所形成的局部区域 12。图1显示了处于非激活状态的结构部件10，而图2显示了处于 激活状态的结构部件。非活性结构14由适合车辆结构部件所需应用 的材料组成，例如，防晃杆由钢组成。在将激活信号施加于活性材 料的局部区域12时，局部区域12可提供用于能量损耗的预定弯曲路径。因此，局部区域12的位置将根据所需的弯曲路径而改变。通 过这种方式，物体的撞击可能造成车辆结构部件10沿着预定的路径 而弯曲，从而引起对与撞击作用相关的动能的控制和吸收，从而最 大程度地减小对弯曲路径以外的构件的损伤。在撞击作用未充分发
展的情况下，可使局部区域12无效，从而保持车辆结构部件10的 机械完整性。如所述，车辆结构部件10可用作压溃起始部。带有适 当定位的压溃起始部的车辆结构部件10具有比没有这种起始部的车 辆结构部件更大的能量吸收性能。在一种情况下，车辆结构部件通 过在起始部(活性材料)定位处，以例如横向剪切、叠层弯曲、局部弯 曲、表面起皱等等模式，而发生局部压溃来吸收能量。压溃起始部 导致车辆结构部件的局部压溃，因而，车辆结构部件不会在其它地 方失效。在第二种情况下，车辆结构部件不只是在局部区域，而是 在其长度的大部分上吸收能量。这通过发生逐步折叠，例如手风琴 状的波形而实现，在结构部件前端，例如通过使用这里发明的起始 部而开始的这种手风琴状折叠(压溃)对于发生在结构元件的大部分长 度上的这种逐步折叠和伴随的能量损耗是非常关键的。
通过局部区域12包含这种压溃起始部，可选择车辆结构部件10 发生塌陷(或起始逐步压溃)的位置。活性材料可根据所需的特征而放 置在车辆结构部件10的任何位置，这些所需的特征包括但不局限于 抗压强度，压溃距离等等。沿着车辆结构部件10的分开部分可形成
多个压溃起始部，以便在几个位置发生压溃，或者可在车辆结构部 件的单个部分形成多个彼此靠近的压溃起始部，以便在选定的位置
压溃。压溃起始部的数量可根据所需的特征、包括但不局限于抗压 强度、压溃距离等等而改变。利用活性材料来形成压溃起始部的合 适方法包括但不局限于在车辆结构部件上设置局部周向的活性材料 带，将活性材料带局部从外部连接到车辆结构部件上，将活性材料 补缀部从外部连接到车辆结构部件上，由活性材料组成整个车辆结 构部件等等，以及包括至少其中一个前述方法的组合。在一个备选实施例中，在形状记忆合金的情况下，伴随有相变， 例如马氏体至奥氏体相变的活性材料的挠曲模量上的选择性变化， 可用于选择性地增加车辆结构部件的刚度，提供压溃起始位移，提 供压溃起始模式下的位移，和/或其各种组合。例如，由于其在马氏 体相下的较低;f莫量，因此可激活在一个位置带有活性材料的车辆结 构部件10,以作为低温下的压溃起始点。在不需要该位置形变的撞 击作用情形下，活性材料的快速加热可以增加该位置的刚度，使得 压溃将发生在结构部件的不同位置或不同部件中。通过选择性地使 选定的活性材料的局部区域激活和失活，可根据需要控制和消散与 撞击作用相关的动能。
在如图3和图4所示的另一实施例中，示例性的车辆结构部件30 采用板状或外壳状的结构34的形式，其带有紧接的活性材料32的 环带、圈、补缀部和/或相似物。图3显示了在激活之前的结构部件 30,而图4显示了激活时的结构部件。在施加激活信号时，活性材 料32的横截面几何形状(或合适的环圈长度)上的变化起作用，并且 导致结构34的局部弯曲区域(如图4中更清晰所示)，其可用作压溃 起始部。在撞击作用时，这些局部性弯曲区域通过起始所需的压溃 形态而促进能量吸收。
在其它实施例中，局部表面和/或壁形变可用来促进能量吸收。 也就是说，当活性材料激活时，几何形状上的总体变化发生在纵向 方向上。例如，在车辆结构部件中采用向外弯曲形式的纵向形变将 由于才莫量变化而伴随着刚度增加，从而增加压溃距离。利用活性材 料的纵向形变以导致压溃距离和刚度上的变化的合适方法，包括但 不局限于在车辆结构部件上设置活性材料的纵向分段，在车辆结构 部件上设置局部周向的活性材料带，将活性材料带局部从外部连接 到车辆结构部件上，将活性材料补缀部从外部连接到车辆结构部件 上，由活性材料组成整个车辆结构部件等等，以及包括至少其中一 个前述方法的组合。图5中显示了这样一个示例。如图所示，结构部件50可包括纵向活性材料带，其中活性材料52的长度缩短在结 构部件本身中产生了极大的弯曲应力或压缩应力，从而使部件的纵
向形状形变。结果，结构部件50的形变的几何形状可直接提供增强
的刚度和增加的压溃距离，并通过活性材料模量上的任何伴随的变 化而增强刚度和提高能量吸收。
作为备选，活性材料可适合于提供结构部件的横截面几何形状 上的变化。这种变化被称为"横截面形变"，并且这种变化导致了车辆 结构部件的刚度和/或抗压强度/能量吸收能力上的变化。利用活性材
料的横截面形变，以便导致刚度/抗压强度上的变化的合适方法包括， 但并不局限于在车辆结构部件上设置活性材料的纵向分段，由活性 材料组成整个车辆结构部件等等，以及包括至少其中一个前述方法 的组合。
形变的表面/壁的形状并不限于任何特定的形状和/或构造，其可
以很容易通过选择性地放置活性材料而进行操纵。例如，图6和图7 显示了各种其它形变的表面/壁。在各个这些实施例中，选择性地定 位和激活活性材料52，以便当活性材料激活时，提供所需的横截面 构造和/或形状。
活性材料的激活将依赖于活性材料的类型。合适的激活信号可 包括热激活信号，磁激活信号和电激活信号等等，以及包括至少其 中一个前述激活信号的组合。例如，形状记忆聚合物和形状记忆合 金可通过热激活信号来激活，例如，热量可利用热气体(例如空气)、 蒸汽、热液体、辐射热传递微波加热、电流电阻加热等等来提供。
产生激活信号可包括，检测在即将或不久的未来发生撞击作用 的增加几率，撞击作用的发生状况，通过检修车辆的乘客或人员的 手动激活，内置逻辑控制系统的电子激活，例如激活车辆稳定性增 强系统(VSES),打开或关闭点火装置，等等。检测撞击作用可利用 撞击传感器来完成，检测在不久的将来发生撞击作用的增加几率可 利用预撞击传感器来完成，例如雷达、可视系统、防抱死制动系统(ABS)的激活等等。
在施加激活信号的整个期间优选保持活性材料的特性变化。同 样，在激活信号停止时，所述特性优选基本上恢复至其在变化之前 的原始形式。通过这种方式，可有利地产生可逆性。
根据合金成分和处理记录，合适的SMA可呈现单向的形状记忆
效应，固有的双向效应，或非固有的双向形状记忆效应。在SMA中
发生的两种相时常被称为马氏体和奥氏体相。马氏体相是形状记忆 合金相对较软且易于形变的相，其通常存在于较低的温度下。相反， 奥氏体相发生在较高温度下，并通常称为较硬相。形状记忆合金的
中间相，有时也被称为"R相"，其还展现了可用来获得所需形状和/
或刚度变化的特征性能。从马氏体相至奥氏体相的相变导致了车辆 结构部件的刚度和能量吸收特征的提高。利用活性材料增加车辆结
构部件的刚度的合适方法包括但不局限于，在车辆结构部件上设置
活性材料的局部分段，从外部将活性材料带连接到车辆结构部件上，
从外部将活性材料的补缀部连接到车辆结构部件上，从内部将活性
材料带连接到车辆结构部件上，从内部将活性材料的补缀部连接到 车辆结构部件上，活性材料组成的整个车辆结构部件，内部和/或外
部的活性材料涂层/薄膜等等，"内嵌"在结构部件中的活性材料元件，
其示例如塑料或聚合物矩阵中的SMA导线，以及包括至少其中一个 前述方法的組合。
由呈现单向形状记忆效应的形状记忆合金成分形成的形状记忆 材料，不会自动地重新形成，并且根据形状记忆材料的设计将可能 需要外部的机械力，以重新形成其之前呈现的形状定向。在结构部 件的几何形状通过仅仅由于SMA作用发生弹性形变而变化的情况 下，这个外力可以筒单地是结构部件本身的弹性恢复力。呈现固有 的形状记忆效应的形状记忆材料由将自身自动重新形成的形状记忆 合金成分组成。
形状记忆合金在受热时记住其高温形状时的温度可通过轻微地改变合金的成分并通过热处理进行调整。形状恢复过程根据形状记 忆合金的具体特性而在某些程度至许多程度的范围内发生，并且可 根据所需的应用和合金成分而将相变的起始或完成控制在一定的程 度内。改变相变温度的另一因素是材料遭遇到的机械应力。通过合 适地施加机械负载，可以合适地提高或降低相变温度。形状记忆合 金的机械性能在其相变温度范围内改变非常大，从而提供了带形状 记忆效应以及高衰减能力的形状记忆材料。形状记忆合金的固有的 高衰减能力可用于进一步提高能量吸收特性。
虽然已经参照了形状记忆合金的热激活进行描述，但是，磁激 活单独地或结合热激活的使用，也可适合于磁性的那些形状记忆合 金成分。磁性形状记忆效应不同于上述热弹性效应，其中^t量和/或
对于磁场有利定向的孪晶结构在损害材料中的其它孪晶结构的情况 下生长时，形状记忆合金的形状发生变化。有利的是，在一些时间 敏感的应用中，考虑到比热激活时所发生的传统温度引起的响应更 快的响应时间，磁激活的使用可能是优选的。
其它合适的活性材料是SMP。与形状记忆合金的性能相似，当 温度高出其转变温度时，形状记忆聚合物也发生了形状定向上的变
化。不同于SMA的是，温度高过转变温度会造成极大的冲莫量下降。 合适的SMA材料包括但不局限于镍-钛基合金、铟-钬基合金、 镍-铝基合金、镍-镓基合金、铜基合金(例如，铜-锌合金、铜-铝合金、 铜-金和铜-锡合金)、金-镉基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、铁-铂基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金等等。合金可 以是二元、三元或任何更多元的，只要合金成分呈现形状记忆效应 即可，例如，改变形状定向。衰减能力等等。例如，镍-钛基合金是 在商业上可从Dynalloy公司获得的商标为Flexinol的合金。
总地说来，SMP是共聚物，其包括至少两个不同的单元，其可 被描述为在共聚物中形成了不同的链段，各链段对材料的挠曲模量特性和热转变温度起不同作用。"链段"指相同或相似的单体或低聚物 单元嵌段、接枝或序列，其共聚成连续的交链的相互渗透的这些链 段网络。这些链段可以是晶体材料或非晶态材料，并因此可总称为 硬链段或软链段，其中硬链段通常具有比软链段更高的玻璃化温度(Tg) 或熔点。
这样，各链段对形状记忆聚合物(SMP)的整个挠曲模量特性和其 热转变温度起作用，硬链段将提高，而软链段将降低挠曲模量特性 和与其变化相关的温度。当使用多个链段时，可观测多个热转变温
的加权平均值。
通过在比形状记忆聚合物的最高的热转变温度或其熔点更高的 温度下熔融或处理聚合物，之后冷却到其热转变温度以下，从而可 设定之前限定的或永久的SMP形状。设定永久形状所需要的温度优
选为大约100。C至大约300。C之间。通过将材料加热到比形状记忆 聚合物的Tg或热转变温度更高，但低于最高Tg或其熔点的温度可 设定临时形状。通过在形状记忆材料的Tg以上，但低于最高的热转 变温度或熔点的温度下施加外部应力，同时处理材料，之后冷却以 固定形状，从而可设定临时形状。
之后，通过将材料加热到其Tg以上但低于最高热转变温度或熔 点的温度，可将材料恢复到永久形状。因而，通过组合多个软链段 可以展示多种临时形状，并且利用多个硬链段可以展示多种永久形 状。类似地利用分层或复合方法，多个SMP的组合将展示在多个临 时形状和永久形状之间的转变。
在软链段转变温度(也称为"第一转变温度")下，形状记忆聚合物 的临时形状被设定，随后冷却形状记忆聚合物，以便锁定在临时形 状上。只要其保持在软链段转变温度以下，就可保持临时形状。当 形状记忆聚合物纤维再次被加热到或高于软链段的转变温度时，就 会再次获得永久形状。重复加热、成形和冷却步骤可重新设定临时形状。对于具体应用，可通过修改聚合物的结构和成分来选择软链
段的转变温度。软链段的转变温度为大约-63。C至大约160°C。
SMP可包含不止两个转变温度。包括硬链段和两个软链段的形 状记忆聚合物成分可具有三个转变温度用于硬链段的最高的转变 温度和用于各软链段的转变温度。
大多数SMP呈现"单向"效应，在这种效应中，形状记忆聚合物 呈现一个永久形状。当将形状记忆聚合物加热到第一转变温度以上 时，获得了永久形状，并且该形状在没有使用外部作用力的条件下 将不会恢复到临时形状。
SMP可构造成许多不同的形式和形状。永久形状的恢复所需要 的温度可设置在大约-63。C至大约160。C之间的任何温度。设计聚合 物它本身的成分和结构可考虑选择针对所需应用的选定温度。在一 个实施例中，选定的形状恢复的温度大于或等于大约70°C,或者更 特别地大于或等于大约80。C,并且甚至更特别地大于或等于大约 90。C。
合适的SMP包括但不局限于热塑性材料、热固性材料、相互渗 透的网状材料、半相互渗透的网状材料或混合网状材料。聚合物可 以是单一的聚合物或混合的聚合物。聚合物可以是线性的或带侧链 或枝状结构元素的分枝的热塑性弹性体。形成形状记忆聚合物的合 适的聚合物成分包括但不局限于聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚脂 酰胺、聚氨酸、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸盐、聚亚烃基烯、聚丙 烯酸盐、聚亚烷基二醇、聚烷撑氧化物、聚亚烷基对苯二曱酸盐、 聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯卣化物、聚脂、聚交酯、 聚二醇、聚硅氧烷、聚氨基曱酸脂、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯、聚 苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯盼、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚乙烯、聚十 八烷基乙烯基醚、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚环氧乙烷-聚对 苯二曱酸乙二酯、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚已酸内酯-聚酰胺(嵌 段共聚物)、聚已酸内酯丙烯酸酯-n-丙烯酸丁酯、聚水片基多面寡聚
15硅酸酯、聚氯乙烯、尿烷/丁二稀共聚物、聚氨基甲酸脂嵌段共聚物、 苯乙烯-丁二稀-苯乙烯嵌段共聚物等等，以及包括至少其中一个前述 聚合物成分的组合。合适的聚丙烯酸盐的示例包括聚(甲基丙烯酸曱 酯)、聚(甲基丙烯酸乙醇)、聚(丙烯酸丁酯)、聚(曱基丙烯酸异丁酯)、 聚(己基丙烯酸酯)、聚(异癸基丙烯酸酯)，聚(甲基丙烯酸月桂酯)、 聚(苯基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸曱酯)、聚(异丙基丙烯酸酯)、聚(异丁 基丙烯酸酯)和聚(十八基丙烯酸酯)。
除了严格的形状恢复以外，任何可制成线性膨胀或收缩的材料 可用于通过将这种材料与非活性弹性部件结合起来而产生弯曲促动 器。在该文献中，这通常被称为单晶片促动器。如果构件由相同材 料制成，但制成在相反方向发生形变，那么材料变成一种双压电晶 片。
双压电晶片中，根据活性层的定向还可获得任一方向的弯曲。通过 与造成弯曲联接的弹性构件一起使用形状记忆合金、导电聚合物、 电致伸缩的聚合物或其它轴向应变材料，可形成单压电晶片。弹性 部件可属于许多材料种类，包括金属合金、聚合物和陶瓷。优选的 材料是呈现较大弹性应变极限的那些材料，以及可有效地存储机械 能量的那些材料。其次考虑的材料包括可以容易地粘接到活性材料 上的那些材料，其具有在工作温度范围内可接受的特性，并且具有 足以在反复促动中保存下来的韧性。对于任何材料，都可形成双压 电晶片，其中该材料可根据驱动信号而被扩展和压缩。压电材料可 用于这种效应。离子聚合物促动器，例如IPMC和导电聚合物，由于 离子种类的传送而固有地展示出这种效应，其造成隔膜膨胀。因此， 这些材料优选用于这类形变。
合适的MR弹性体材料包括但不意图被局限于弹性聚合物矩阵， 包括铁磁或顺磁粒子的悬浮液，其中粒子是如上所述的。合适的聚 合物矩阵包括但不局限于聚阿尔法烯烃、天然橡胶、硅、聚丁二烯、聚乙烯、聚异戊二烯，等等。
电活性聚合物包括那些响应于电场或机械场而呈现压电性，热 电性或电致伸缩特性的聚合材料。这些材料通常利用柔顺性电极， 其可响应于所施加的电场或机械应力而使聚合物薄膜在平面方向上 膨胀或收缩。电致伸缩的接枝弹性体的一个示例是带有压电体的聚(偏 氟乙烯-三氟乙烯)共聚物。这种组合物具有产生各种数量的铁电电致 伸缩的分子复合系统的性能。这些可作为压电传感器或甚至电致伸 缩促动器进行操作。
适合用作电活性聚合物的材料可包括任何基本上绝缘的聚合物 或橡胶(或它们的组合物)，其响应于静电力而形变，或者其形变导致 了电场的变化。适合于用作预应变的聚合物的示例性材料包括硅弹 性体、丙烯弹性体、聚氨基甲酸脂、热塑性弹性体、包含PVDF、压 敏式胶粘剂、含氟弹性体的共聚物、包含硅和丙烯酸单体的聚合物 等等。包含硅和丙烯酸单体的聚合物可包括例如包含硅和丙烯酸单 体的共聚物、包含硅弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物共混物。
用作电活性聚合物的材料可基于一个或多个材料特性来选择， 例如高的断裂强度、低的弹性模量(大的或小的形变)、高的介电常数
等等。在一个实施例中，选择具有至多大约100 MPa的弹性;漠量的 聚合物。在另一实施例中，选定的聚合物具有最大促动压力在大约0.05 MPa至大约10 MPa之间，并且优选在大约0.3 MPa至大约3 MPa之 间。在另一实施例中，所选择的聚合物具有在大约2至大约20之间 的介电常数，并且优选在大约2.5至大约12之间。本发明的公开并 不想被局限于这些范围。比较理想的是，如果材料具有高的介电常 数和高的绝缘强度，那么材料将优选带有比以上给定范围更高的介 电常数。
因为电活性聚合物可在高应变下会发生偏转，所以，连接在聚 合物上的电极也将发生偏转，而不会损害机械性能或电性能。通常， 适合使用的电极可具有任何形状和材料，只要其能够为电活性聚合物提供合适的电压，或者从电活性聚合物中接受合适的电压即可。 电压可以是恒定的或随时间变化的。在一个实施例中，电极粘附在 聚合物的表面上。粘附在聚合物上的电极优选是柔顺性的，并且符 合聚合物的变化形状。因此，本发明公开可包括柔顺性电极，其符 合其所连接的电活性聚合物的形状。电极可以只应用于电活性聚合 物的一部分上，并且根据其几何形状限定了活性区域。适合于供本 发明公开使用的各种类型的电极包括包含金属迹线和电荷分布层的 结构化电极、包含偏离平面尺寸的织构电极、传导油脂例如碳油脂 或银油脂、胶质的悬浮液、纵横比较高的传导材料例如碳纤维和碳 纳米管，以及离子传导材料的混合物。
可以改变用于本发明公开的电极的材料。用于电极的合适材料 可包括石墨、碳黑、胶质的悬浮液、包含银和金的薄金属，填银且 填碳的凝胶和聚合物，以及离子传导或电子传导的聚合物。应当理 解，某些电极材料可与特定的聚合物很好地协同工作，并且可能不 会与其它聚合物很好地协同工作。作为示例，碳纤维可与丙烯酸弹 性体聚合物很好地协同工作，而不会与硅聚合物很好地协同工作。
活性材料还可包括压电材料。另外，在一些实施例中，可将压 电材料配置成为一种用于提供快速部署的促动器。如此处所使用的 用语"压电体"用于描述一种当施加电压电势时会发生机械形变(改变 形状)、或者相反当发生机械形变时会产生电荷的材料。压电材料优 选设置在柔性金属带或陶瓷片中。这种带材可以是单压电晶片或双 压电晶片。带材优选是双压电晶片，因为双压电晶片通常呈现比单 压电晶片更大的位移。
一类单压电晶片是一种由从外部粘接在柔性金属箔或金属带上 的单压电体元件组成的结构，当利用变化的电压激活时，金属箔或 金属带受到压电体元件的激励，并导致轴向弯曲或偏转，从而形成 与压电体元件相反的运动。对于单压电晶片的激励运动可通过收缩 或膨胀来完成。单压电晶片可呈现高达大约10%的应变，但相对于单压电晶片结构的总尺寸通常只保持较低的载荷。预压力的单压电
晶片的 一个商业示例被称为"THUNDER"，其是薄层复合单压电晶片 铁电体驱动器和传感器的首字母缩略词。THUNDER是由压电陶瓷 层(例如锆钛酸铅)构成的复合结构，压电陶瓷层在其两个主平面上进 行了电镀。金属预应力层通过粘合剂层(例如由国家航空与航天管理 局(NASA)研制出的"LaRC-SI⑧")而粘接在陶瓷层至少一侧的电镀表面 上。在THUNDER促动器的制造期间，将陶瓷层、粘合剂层和第一 预应力层同时加热到粘合剂的熔点以上的温度，之后进行冷却，从 而重新凝固和固定粘合剂层。在冷却过程中，由于金属预应力层和 粘合剂层比陶瓷层更高的热收缩系数，因此陶瓷层变成是带有应变 的。另外，由于层压材料比陶瓷层更大的热收缩作用，所以陶瓷层 形变成具有通常凹面的弧形形状。
同单压电晶片的压电装置相比，双压电晶片装置包括夹在两个 压电元件之间的中等柔性的金属箔。双压电晶片呈现比单压电晶片 更大的位移，因为在所施加的电压下， 一个陶瓷元件将收缩，而另 一陶覺元件将膨胀。双压电晶片可呈现高达大约20%的应变，但与 单压电晶片相似，相对于单压电晶片结构的总尺寸通常不能承受大 的载荷。
合适的压电材料包括无机化合物、有机化合物和金属。关于有 机材料，所有在分子的主链上或侧链上或这两个链段上带有非中心 对称结构和大偶极矩组的聚合物材料，都可用作压电体薄膜的候选 物。合适的聚合物的示例包括，例如，但不局限于聚苯乙烯磺酸钠 ("PSS"),聚S-119(聚乙烯胺主链含氮生色基团)，和其衍生物；多氟 烃，包括聚偏二氟乙烯("PVDF')，其与偏二氟乙烯的共聚物("VDF')， 三氟一氯乙烯(TrFE)，和其衍生物；多氯代烃，包括聚氯乙烯("PVC")， 聚偏二氯乙烯("PVDC"),和其衍生物；聚丙烯腈("PAN")和其衍生物； 多元羧酸，包括聚己内酯('TMA")和其衍生物；聚脲和其衍生物；聚 氨基曱酸脂("PUE")和其衍生物；生物聚合物分子例如聚L-乳酸和其衍生物，和膜蛋白，以及磷酸盐生物分子；聚苯胺和其衍生物，以
及所有四胺的衍生物；聚酰亚胺，包括聚酰亚胺分子和聚醚酰亚胺
("PEI")和其衍生物；所有的膜聚合物；聚乙烯吡咯烷酮("PVP")均聚 物和其衍生物，以及随机PVP-聚乙酸乙烯("PVAc")共聚物；以及所 有在主链或侧链或者主链和侧链带有偶极矩组的芳香蔟聚合物和其 混合物。
压电材料还可包括Pt， Pd， Ni， Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu和金 属合金及其混合物。这些压电材料还可包括例如金属氧化物，如 Si02， A1203, Zr02， Ti02， SrTi03, PbTi03， BaTi03， Fe03, Fe304, ZnO及其混合物；VIA和IIB族化合物，例如CdSe, CdS， GaAs, AgCaSe2， ZnSe， GaP, InP， ZnS及其混合物。
合适的活性材料还包括磁流变(MR)成分，例如MR弹性体，其 被称为"智能"材料，其流变学特性在施加磁场时可快速变化。MR弹 性体是微米大小的磁极化粒子在热固性弹性聚合物或橡胶中的悬浮 体。通过改变所施加的磁场的强度而改变切变和压缩/张力模量，就 可获得弹性体结构的刚度。MR弹性体通常在少至几毫秒的时间内暴 露于磁场时而发展出结构。通过使MR弹性体非连续地暴露于磁场 中，可使过程可逆，并且弹性体返回其较低的模量状态。
合适的磁性形状记忆材料包括但不局限于软磁铁或硬磁铁；赤 铁矿；磁铁矿；基于铁、镍和钴的磁性材料，前述的合金，或包括 至少一种前述物质的组合物等等。铁、镍和/或钴的合金可包括铝、 硅、钴、镍、钒、钼、铬、鵠、锰和/或铜等等。
这里所公开的所有范围都是包含性的，并且是可组合的(例如， 范围"高达大约25%的重量百分比，或更特别地为大约5%至大约25% 的重量百分比"包含端点以及在"大约5%至大约25%的重量百分比"范 围内的所有中间值等等)。用语"第一"、"第二"等等在这里并不表示任 何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一元件区分开， 并且用语"一个"在这里并不表示数量限制，而是表示至少一个所指事物的存在。
虽然已经参照示例性的实施例描述了本发明公开，但是本领域 中的技术人员应当理解，在不脱离本发明公开的范围内可进行各种 变化，并可用等效物替代其元件。另外，在不脱离本发明公开的本 质范围内，还可制成许多改型，而使特殊的情形或材料适应本发明 公开的传授知识。因此，本发明公开并不局限于作为被认为是实现 本发明的最佳模式的特定实施例，相反，本发明公开将包括落在所 附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1. 一种可调节的车辆结构部件，包括至少一个活性材料部分，其适合于响应于激活信号而选择性地发生至少一个特性上的变化，其中，所述至少一个特性上的变化改变了所述车辆结构部件的机械性能和/或结构性能。
2. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在于， 所述机械性能和/或结构性能形成了用于所述车辆结构部件的预定的 弯曲路径。
3. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在于， 所述机械性能和/或结构性能形成了用于所述车辆结构部件的形变起 始位置。
4. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在于， 所述至少一个特性上的变化包括形状变化、模量变化或它们的组合。
5. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在于， 所述车辆结构部件包括所述至少一个活性材料部分的局部区域。
6. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在于， 所述车辆结构部件由所述至少一个活性材料组成。
7. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在于， 所述至少一个活性材料部分包括薄膜或涂层。
8. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在于， 还包括非活性部分，其中，所述活性材料在操作上与所述非活性部 分相联。
9. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在于， 所述激活信号包括热激活信号、磁激活信号、电信号，以及包括至 少其中一个前述激活信号的组合。
10. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在 于，所述活性材料包括形状记忆合金，形状记忆聚合物，磁性形状记忆材料，压电材料，电活性聚合物，以及包括至少其中一种前述 活性材料的组合。
11. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在 于，所述至少一个特性上的变化是可逆的。
12. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在 于，所述活性材料的至少一个特性上的变化包括所述车辆结构部件 的表面和/或壁的形变。
13. 根据权利要求1所述的可调节的车辆结构部件，其特征在 于，所述车辆结构部件形成了支柱，加强部件，导轨，框架部件， 防晃杆，底盘部件，緩沖器构件，撑架组件构件，门板，遮光罩板， 车身板，曱板盖，以及它们的组合。
14. 一种用于选择性地改变车辆结构部件的机械性能的方法， 所述方法包括将激活信号施加在活性材料上，其中，所述活性材料在操作上 与所述车辆结构部件相联；和响应于所述激活信号而引起所述活性材料的至少一个特性上的 变化，其中，所述车辆结构部件的机械性能和/或结构性能随着所述 活性材料的至少 一个特性上的变化而变化。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述机械性能 和/或结构性能限定了用于所述车辆结构部件的预定的弯曲路径。
16. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述机械性能 和/或结构性能限定了用于所述车辆结构部件的横截面形状和/或纵向 形状。
17. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述车辆结构 部件包括活性材料的局部区域。
18. 根椐权利要求14所述的方法，其特征在于，所述车辆结构 部件由所述活性材料形成。
19. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述活性材料是薄膜或涂层。
20. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述激活信号包括热激活信号，磁激活信号，电信号，以及包括至少其中一个前 述激活信号的组合。
21. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述活性材料 包括形状记忆合金，形状记忆聚合物，磁性形状记忆材料，压电材 料，电活性聚合物，和包括至少其中一种前述活性材料的组合。
22. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述至少一个 特性上的变化是可逆的。
23. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述活性材料 的至少一个特性上的变化包括所述车辆结构部件的表面和/或壁的形 变。
24. —种用于为车辆结构部件提供预定的弯曲路径的方法，其 包括将激活信号施加于至少一个活性材料上，其中，所述至少一个 活性材料在操作上与所述车辆结构部件的非活性部分相联；和响应于所述激活信号而改变所迷活性材料的至少一个特性，其 中，所述至少一个特性上的变化限定了用于所述车辆结构部件的预 定的弯曲路径。
25. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述激活信号 包括热激活信号，磁激活信号，电信号，以及包括至少其中一个前 述激活信号的组合。
26. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述活性材料 包括形状记忆合金，形状记忆聚合物，磁性形状记忆材料，压电材 料，电活性聚合物，以及包括至少其中一种前迷活性材料的组合。
27. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述至少一个 特性上的变化是可逆的。
28. —种用于为车辆结构部件提供压溃起始点或起始区域的方法，其包括将激活信号施加于至少一个活性材料上，其中，所述至少一个响应于所述激活信号而改变所述活性材料的至少一个特性，其 中，所述至少一个特性上的变化限定了用于所述车辆结构部件的压 溃起始点或起始区域。
全文摘要
用于车辆的可调节的结构部件通常包括活性材料，其适合于响应于激活信号而选择性地发生至少一个特性上的变化。这种至少一个特性上的变化导致可调节的结构部件的机械性能上的变化。活性材料通常包括形状记忆合金，形状记忆聚合物，磁流变流体和弹性体，压电材料，电活性聚合物等等。
文档编号B60J7/00GK101443206SQ200580047782
公开日2009年5月27日 申请日期2005年10月25日 优先权日2004年12月9日
发明者A·布劳恩, N·L·约翰逊, V·R·布拉瓦拉 申请人:通用汽车公司