用于改变表面纹理和摩擦力水平的活性材料基物体的制作方法

专利名称：用于改变表面纹理和摩擦力水平的活性材料基物体的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于选择性控制和改变表面紋理和/或表面上摩擦 力水平的方法和装置。
背景技术：
一些装置或方法依赖于在两个物体相对的接触表面之间的摩擦力 的产生或消除以进行特定的功能或操作。示例性的具有经构造以产生或 消除摩擦力的表面的装置包括离合器、制动器(鼓形制动器、盘式制动 器等)、轴承、行走轮驱动、控制流体在表面上或在表面之间流动的装 置、轮胎、机械密封、夹具等。很多这些装置不能控制摩擦力水平或者 不能通过调节至少一个接触表面的速度或者至少一个接触表面施加的 法向力水平来控制摩擦力水平。
此外，甚至与第二物体不接触时在物体的表面上也存在摩擦。流体 流动、气流和/或拖曳在表面上产生摩擦力，其可以通过表面紋理的差异 而提高或降低。甚至更进一步，表面紋理的差异也会降低空气拖曳噪声
(aerodrag noise )或者？支变表面夕卜7见。
现有的装置使用致动器和马达来改变接触表面至少之一的相对速 度和/或由至少 一个接触表面施加的法向力，以及用于改变摩^~力水平和 /或表面紋理。例如，制动装置可以改变制动块之间的法向力以改变摩擦 力水平。目前，已经通过在天线周围包括螺旋包装材料来处理车辆天线 上的空气拖曳噪声。天线表面紋理的改变有效地改变了由天线表面上的 空气流动产生噪声的频率。然而，该螺旋包装材料产生永久的而不是可 逆的天线紋理，会影响天线的收缩和展开的性能，例如在动力驱动的天 线的情况下。
此外，然而目前用于改变摩擦力水平的装置会是昂贵的，因为单独 的制动器或马达成本很高。此外，其他操作或功能需求可能不允许致动 器和马达用于控制摩擦力水平。
因此，存在对改进的用于改变表面的紋理和摩擦力水平的装置和方 法的需求。

发明内容
在此公开了用活性材料基物体(active material based body)选择性控 制和改变表面紋理的装置和方法的示例性实施方案。用于选择性控制和 改变表面紋理的装置包括具有至少一个表面的物体，和与该至少一个表 面操作连接(in operative communication with)的活性材冲牛，其中该活性材 料经构造以一旦接收到激活信号就发生性质的改变，其中该性质的改变 有效地改变了该至少 一 个表面的紋理。
用于选择性控制和改变表面紋理的方法包括提供具有至少 一个表 面和经构造以 一旦接受到激活信号就发生性质改变的活性材料，其中该 性质改变有效地改变了该至少 一个表面的紋理，和对活性材料施加激活 信号，造成该活性材料的性质改变，其中该活性材料与该至少一个表面 操作连接，随着活性材料的性质改变使该至少 一个表面紋理化。
以下附图和详述举例说明了上述和其他特征。


现在参照附图，其是示例性的实施方案，其中相似的元件采用相似 的附图标记
图1是用于改变表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物体的示意 图，显示了具有(a)第一表面紋理和(b)第二表面紋理的活性材料基 接触物体；
图2是用于改变表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物体的示意 图，显示了具有(a)第一刚度(stiffness)和(b)第二刚度的活性材料基 物体；
图3是用于改变表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物体的示意 图，显示了具有(a)第一表面紋理和(b)第二表面紋理的活性材料基 接触物体；
图4是用于改变表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物体的另 一示 意图，显示了具有(a)第一表面紋理和(b)笫二表面紋理的活性材料 基物体；和
图5是用于改变表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物体的示意 图，显示了具有(a)具有第一厚度的活性材料层和(b)具有第二厚度
的活性材料层的活性材料基物体表面。
具体实施例方式
在此描述了用于改变表面紋理和控制表面的摩擦力的方法和装置。 与现有技术相比，此处公开的方法和装置有利地使用了活性材料以改变 表面的紋理。该表面的活性材料部件允许通过一旦接收到激活信号就改 变该活性材料的性质而改变该活性材料部件的表面形态来控制摩擦力。 根据活性材料改变的本性和/或偏置或恢复机制的存在，这种改变可以是 可逆的或永久的。此处所用的术语"活性材料"通常是指一旦施加激活 信号就表现出性质(例如尺寸、形状、取向、剪切力、弹性才莫量、挠曲 模量、屈服强度、刚度等)改变的材料。适合的活性材料包括但不局限
于形状记忆合金(SMA)、铁磁性形状记忆合金(MSMA)、电活性聚 合物(EAP)、压电材料、磁流变(MR)弹性体、电流变(ER)弹性 体、电致伸缩材料、磁致伸缩材料等。根据特定的活性材料，该激活信 号可以采用但不局限于以下形式电流、电场(电压)、温度改变、磁 场、机械负载或施加应力(例如SMA中的应力诱导超弹性)、化学或 pH值改变等。
而且，此处所用的术语"第一"、"第二"等不表示任何顺序或重 要性，而是用于将一个元件和另一个区分开，术语"该"、"a" 、 "an" 并不表示对量的限定，而是表示至少一个指示物的存在。此外，所有涉 及相同量的给定部分或者测量的范围都包括端点，且可以独立组合。
在一种实施方案中，用于选择性控制和改变表面紋理的装置包括具 有至少一个表面的物体，和与该至少一个表面操作连接的活性材料，其 中该活性材料经构造以一旦接受到激活信号就发生性质改变，其中该性 质改变有效地改变了该至少 一 个表面的紋理。该表面的紋理改变可以包 括但不局限于在否则是光滑表面上的表面紋理的产生，和/或现有表面紋 理的尺寸、数量、形状、间距、数目、图案、顺应性(compliance)特 征等的改变。
此处所述的用于选择性控制和改变表面紋理和表面上摩擦力水平 的装置可以用于任何摩擦对其产生有利或不利影响的应用中，例如牵引 装置、离合器、闸、轴承、空气动力学、夹具等。而且，该活性材料基 物体可以用于控制表面上的流体边界层。例如，可以通过使用活性材料
改变表面紋理来控制气流边界层、空气拖曳和空气噪声。例如，这可以 用于改变车辆上的压力并调节施加到车轮上的向下力以使性能适应特 定的操作条件。可以改变紋理以在任何可变的紋理表面上产生湍流或层 流边界层流型。该活性材料基物体也可以用于控制由表面上的空气流动 产生的噪声。例如，包含活性材料表面的车辆天线可以经构造以一旦接 受到激活信号就由活性材料改变该天线的表面紋理。表面紋理的改变， 例如表面的粗糙化，有效地降低了在该天线表面上的气流产生的噪声。 例如，在由动力驱动的天线的情况下，在安置时和在展开时该天线可以 具有光滑的第一表面。然而， 一旦该天线完全展开，该活性材料可以被 激活以产生具有粗糙紋理的天线表面。同样地，该活性材料基物体不仅 可以用于降低在表面上的气流噪声，而且可以用于控制在声学应用中声 音的反射。
在另 一种应用中，该用于改变表面紋理的活性材料基物体可以用于 控制表面的视觉外观和/或触觉以为用户提供触觉信号。换言之，可以通 过使用该活性材料基物体改变/控制表面的外观和/或触觉。例如，可以 通过改变仪表板的表面紋理以产生漫射或散射太阳光的表面来降低车 辆仪表板上的眩光。可替代地，可以使该表面临时具有高反射性以帮助 处理当停放在太阳下时进入车辆的辐射热。在触觉实施例中，可以控制 控制旋钮表面的紋理，使得在该旋钮达到预设所需的位置时改变用户手 中的旋钮的触觉。可以使用该活性材料基物体以被动指示表面的特定温 度或对特定水平的温度或磁场强度的暴露。换言之，该活性材料基物体 可以经构造以改变表面紋理，用于指示热的表面或显示该表面暴露于高 温。表面紋理的改变可以用于帮助从该表面上分离和去除涂层、沉积物 和污染物(例如水)。表面紋理的改变可以用于帮助降低该表面和第二 表面之间接触的亲密性，其用途包括但不局限于允许气体或液体流过通 常密封的界面，例如用于冷却或通风的目的。
很多实施例中仅有 一些中调节摩擦力和/或改变表面紋理的能力会 是有利的。其他可以有利地使用活性材料基物体实施方案和下述方法的
应用将是本领域的技术人员已知的，可以包括但不局限于触觉方向盘 反馈、其中紋理指示层数的触觉电梯地板等。其中用户已经与表面接触 并且人们希望通过该表面产生交流或反馈的任何平台构造。此外，应当 理解通过与具有该表面的物体连接的活性材料控制该表面紋理和/或该
表面的摩擦力水平。而且，尽管某些方法参照特定的活性材料进行了描 述，但应当理解任何活性材料都可能能够用于某种应用和方法，可以取 决于该材料的物理特征。该活性材料也可以采取任何物理形式，例如多 孔的、实心的、包埋到第二材料中(无规的或取向的)、层压物、固体、 网格、颗粒、纤维等。
该活性材料可以响应于激活信号改变至少一种性质， 一旦该激活信 号停止就恢复到该至少一种性质的最初状态，或者对于一旦停止激活信 号不会自动恢复的活性材料种类，可以使用可替代的装置使该活性材料 恢复到其最初状态。以这种方法，该活性材料基物体用于适应改变的条 件，同时提高装置的简单性并降低故障模式的数量。作为其中返回到活
性材料的初始状态不是有利的应用的实例，可以使用SMP基物体。SMP 基物体在其记忆状态下具有凹痕紋理的表面。 一旦接收到热信号，该
变平。由于随之SMP的模量大大提^，因此冷却同^;持该表面接触 将该变平的表面几何形状锁定在SMP基物体上。在该表面负载去除的 同时再次施加热信号将是为了将SMP恢复到最初凹痕表面所需要的。 在另 一实施例中，该活性材料基物体可以是经构造用于滑落到车辆轮毂 中的轴。在其初始状态下，该轴可以具有小于该轮毂的直径，使得其可 以容易地安装在该轮毂中。 一旦正确定位在轮毂中，可以对该轴的活性 材料施加激活信号。该活性材料的至少 一种性质的改变可以有效地使轮 毂内的轴的表面膨胀或使其紋理化，由此改变轴的表面，与轮毂产生互 锁配合。 一旦停止激活信号，该活性材料保持新的膨胀的表面。
该活性材料的活化也可以经构造以随时间改变。而且，该随时间改 变的活化可以连续发生，其中该活性材料随着激活信号的时间改变而改 变其性质，与其中活性材料在激活时在两种离散状态之间改变性质的不 变;敫活(non-varying activation)不同。下面将更i羊细i也描述上面歹11出的 用于活性材料基物体的活性材料。
活化装置与活性材料基物体连接并操作连接，活化装置可以与控制 系统连接。该活化装置可操作用于选择性为活性材料基物体提供激活信 号并通过改变该活性材料的至少一种性质来改变表面的紋理或摩擦力。 该活化装置可以经构造以控制该活性材料的至少 一种性质的改变本性， 并因此改变该活性材料基物体的表面紋理。该改变的可控制的本性实例 包括但不局限于活性材料基物体的表面紋理的尺寸改变、数量改变、 形状改变、间距改变、图案改变、数目改变、顺应性特征改变和类似改 变。例如，可以根据人们是否将旋钮转到所需位置用该活性材料改变该 活性材料基物体的表面紋理。根据需要，该活化装置为该活性材料基物 体的活'性材料提供激活信号或激励以造成特征改变，例如但不局限于该 物体表面的至少一部分的紋理、外观、摩擦力等。在一种实施方案中， 该特征改变通常维持施加激活信号的整个过程。 一旦取消该激活信号， 该活性材料通常恢复到失活状态，并基本回复到该至少 一种性质的初始 状态，因此使活性材料基物体以及因此其表面恢复到最初的特征(一种 或多种)。在另一实施方案中， 一旦取消该激活信号，该活性材料的至 少一种性质和/和该活性材料基物体的至少一部分的特征的改变可以保 持。下面所述的实施方案仅是示例性的，并不用于限定到任何特定的形 状、大小、尺寸或构造、材料等。
可替代地，该激活信号可以;波动地应用于该活性材料，而不是通过 使用活化装置。在这种方式下，该激活信号可以由该活性材料基物体放 置于其中的环境提供。因此可以被动激活表面紋理。 一般在铁磁性SMA 或磁致伸缩材料的情况中，暴露于磁场造成这些活性材料的尺寸改变， 其如果适合的排列或构造将导致表面紋理的增大或减小。在热激活形状 记忆材料，例如SMP或SMA的情况下，当暴露于高于规定极限的温度 时，可以激活该热激活形状记忆效应。其中被动激活可以是有利的的应 用实例包括指示活性材料基容器(例如食物容器、医疗容器等)的内容 物已经污染而且不适用于进一步使用，其中当SMP或SMA暴露于高于 规定限度的温度时表面紋理改变。在另一实例中，活性材料基物体，例 如车辆发动机罩，包含SMP,具有第一表面紋理。该SMP可以经构造 使得当达到所需温度时，来自发动机的热量有效改变，即软化SMP,由 此导致从第 一表面紋理改变为笫二表面紋理。
下面公开了用于选择性控制和改变表面紋理的活性材料基装置和 方法的几种实施方案。在各图中，为了便于对特定应用的功能的讨论和 理解，示出了该活性材料部件处于(a)激活状态和(b)失活状态的特 定实施方案。
现在参考图1,示出了示例性的用于选择性控制和改变表面紋理的 活性材料基物体10。该物体IO具有包括活性材料的表面12,如图l(a)
所示。当该活性材料激活时，激活材料发生至少一种性质的改变，例如
形状改变，这导致表面12的紋理改变。在该实施方案中，该活性材料 的形状改变导致在表面12上形成缺紋14,如图1 (b)所示。可以在该 表面12的边缘施加任选的剪切力16以根据该剪切力16的方向和大小 进一步改变该皱紋14的尺寸或排列。而且，当和另一物体接触时，该 皱紋14改变该物体10的固有摩擦系数。此外，该实施方案可以使用位 于该活性材料顶部的另一层(未示出)，用于和外力相联系。这可以用 作涂层或用于提高活性材料的响应和活性。
在示例性的实施方案中，在 一 旦接受到激活信号激活活性材料时， 该活性材料基物体IO可以改变表面紋理。在此处所述的实施方案中， 该激活信号可以是主动或被动的。在图1中，活化装置18为活性材料 基物体IO提供激活信号。该活化装置18提供的激活信号可以包括热信 号、磁信号、电信号、气动信号、机械信号、化学信号等，以及包含前 述信号中至少一种的组合，特定的激活信号取决于该活性材料的材料和 /或结构。例如，为了改变由SMA和/或SMP制备的活性材料的性质， 可以施加热信号。为了改变由EAP、电致伸缩材冲牛和/或电子EAP's制造 的活性材料的性质，可以施加电信号。为了改变由磁致伸缩材料，例如 MSMA和MR弹性体制备的活性材料的性质，可以施加(去除或改变) 磁场。
现在转向图2,示出了用于选择性控制和改变表面紋理的活性材料 基物体20的另一实施方案。该物体20能够通过活性材料部件24的至 少一种性质改变将表面22的摩擦系数从各向同性摩擦系数改变为各向 异性摩擦系数。如图2(a)所示，该物体20包括表面22,其中该表面 22包括活性材料部件24的带和恒定刚度元件26。当该活性材料部件24 具有和该恒定刚度元件26相似的第一弹性模量时，该表面22具有第一 摩擦系数(如图2 ( b )所示)，使得该物体20的表面22均匀，导致各 向同性摩擦系数。而且，从活性材料部件24到恒定刚度元件26的表面 紋理能够基本是均匀的，在该表面和与其接触的另 一物体之间提供了均 匀的摩4察力。
当一旦接收到激活信号该活性材料部件24就经过至少一种性质改 变(即刚度改变)时，该表面22具有第二摩擦系数(如图2 (c)所示)。 在该第二弹性模量时，该活性材料部件24具有低于该恒定刚度元件26
的弹性模量。因此，该恒定刚度元件26在该表面和与其接触的物体之 间提供了初始摩擦力(primary frictional force )。在这种条件下，由于 该恒定刚度元件26的布局，该表面具有各向异性的常数。当在该第二 刚度水平时，该激活材料部件24在用足够的力接触时能够变形(塑性 或通过较大的弹性变形)。通过对恒定和可变刚度的区域，即活性材料， 的元件进行工程化设计，可以实现各种类型的各向异性和各向同性的摩 擦系数。例如，两维褶皱可以产生较为各向同性的摩擦系数，而一系列 线性区域可以产生各向异性的摩擦系数。该表面22甚至在第二刚度水 平时也可以具有褶皱紋理，由此为该表面22提供各向异性的摩擦系数。 特别地，改变活性材料部件24的弹性模量有效地各向异性地改变了物 体20的摩擦力水平。因此，该表面22的摩擦力水平以及在一些实施方 案中的紋理从活性材料部件24到恒定刚度元件26以交替方式变化。
参照图3，示出了另一种示例性的活性材料基物体30。该物体30 包括活性材料层32和摩擦元件34。该活性材料层32能够通过一旦接受 到激活信号就改变刚度因此改变形状来控制摩擦力水平和改变表面36 的紋理。该活性材料层32可以是任意上面列出的活性材料。例如，在 该实施方案中，可以4吏用SMP作为活性材料层32，经构造以当加热到 热转化温度之上时和当冷却到热转化温度之下时改变形状。通过改变刚 度以及因此改变和摩擦元件34的顺应性(compliance),可使暴露于该 表面的该部分摩〗察元件改变。该摩擦元件34具有倒钩38，可以包括回 弹性材料，例如可弯曲的金属，并固定在SMP层32中。 一旦接受到激 活信号，即热信号，该SMP层32可以净皮加热倒热转化温度之上，因此 使SMP层32的结构的刚性降低，使该摩擦元件34由其中倒钩38平置 的强迫弯曲形状(如图3 (a)所示)恢复到其中该倒钩38突出该物体 30的表面38的松弛自然位置(如图3 (b)所示)。当该SMP冷却到 热转化温度之下时，该SMP层32返回到永久的刚性更大的形状，由此 迫^f吏该摩〗察元件34伸直。该失活的SMP层32 4吏该倒钩38弯曲回到物 体30的表面36之内。因此，当对SMP层32提供激活信号时，该表面 36的形状从基本平坦的表面(图3 (a))改变到具有从其上突出的倒 钩38的表面(图3(b))。该表面形状的可逆改变改变了该表面36的 紋理和摩擦系数。在另一示例性的实施方案中，该摩4察元件34可以经 构造为另 一选择形式，使得当该SMP具有刚性结构时倒钩38从SMP
层32上突出，而当该SMP处于软化状态时不突出。
在图4中，示出了活性材料基物体40的另一实施方案。该物体40 能够通过诱发局部位移和/或振动改变表面紋理和控制摩擦力水平。该物 体40包括构件42和与该构件操作连接的活性材料部件44。在该特定的 实施方案中，该活性材料部件44是设置在该构件42的底面上的压电材 料片。该活性材料部件44,即压电片，经构造以响应于施加的电压(分 别为恒定或随时间改变的)在高频位移和/或振动。该构件42包括具有 表面46的柔性材料。该压电片44的位移/振动有效地改变了该表面46 的紋理和摩擦力水平。该构件42经构造以响应于该压电片44施加的力 在第 一形状和第二形状之间转变。该压电片具有远离中性轴的压电层， 使得在施加电压时产生弯曲，而在去除电压时弯曲消失。该电流提供了 驻电波，这是保持原位并导致压电片44振动的波。
当对该压电片(piezoelectric patch) 44施力。电信号时，该片发生位 移和/或振动，该构件42从第一形状(如图4 (a)所示)转变为第二形 状(如图4 (b)所示)。第一接触构件42的形状改变改变了该表面46 的摩擦力水平和紋理。该压电片44和该表面46可以制备以以制定的振 动方式谐振。这些模式将产生该表面46位移的驻波。表面46的摩擦力 水平的改变取决于该驻波的瞬时方向(current direction ),其可以每秒 钟改变几次。因此，该摩擦力水平直接由压电片44的局部位移或振动 诱发的，可以通过改变对该压电片44的激励的振幅和相对频率快速对 其进行调节，这又改变了驻波的位移、驻波的振幅等。
现在转向图5，示出了另一种示例性的活性材料基物体60。该物体 60能够主动地选才奪性改变表面紋理。在一种特定的实施方案中，该物体 60包括多层构件62,其具有埋置在该多层构件62内的摩擦元件，例如 针64。该针64具有第一表面紋理63。该多层构件62与基体66物理连 接，具有第一层68和第二层70。该第一层68包括活性材料，例如SMA, 经构造以响应于激活信号(例如热信号)改变形状。该第二层70可以 是非活性材料或与笫一层68中的活性材料不同的活性材料。该第二层 具有第二表面紋理72,其具有比针64更高的摩擦系数。在可替代的实 施方案中，该针64可以具有比该表面72更高的摩擦系数。
当该活性材料层68具有第一形状时，如图5 (a)所示，该第一层 68具有第一厚度(ln),该针64暴露于该表面72之上，使得第二物体、
用户的手、气流等在接触物体60时会与该针64摩擦啮合。当该活性材 料第一层68具有第二形状时，如图5(b)所示，该第一层68具有第二 厚度(h2),该针64位于该第二层70的凹入部分74中，使得该针64 位于该表面72之下，以及第二物体、用户的手、气流等在与物体60物 理连接时会与该表面72摩擦啮合。在这种实施方案中，该针64包含^氐 摩擦材料，该第二层70包括具有高摩擦表面的材料。因此，通过用激 活信号使该活性材料第一层68膨胀和收缩，该物体60能够可变地在两 种摩擦表面紋理之间选择。当该活性材料第 一层68具有第 一形状时， 该针64提供第一摩擦系数。当该活性材料第一层68具有第二形状时， 该第二层70的表面72提供第二摩擦系数。
应当理解该活性材料基物体60并不仅限于图5中所示的特定形状， 而是该物体可以具有任何能够为了在两种摩4察表面紋理之间改变而改 变的形状。在可替代的示例性实施方案中，该摩擦元件64可以在表面 的不同部分中具有具有不同表面紋理的表面。当该活性材料改变形状 时，该摩4察元件64调节以改变朝向该表面的元件的部分。例如，该物 体60可以包括具有杆状物作为摩擦元件的结构。该摩擦杆状物可以具 有不同的摩擦表面，其与表面72平行埋置，使得该活性材料的激活会 使该杆状物旋转，例如从具有低摩擦接触表面的位置滚到具有高摩擦接 触表面的位置。在另一实施方案中，该针实际上可以包括球轴承，为该 表面的摩擦力提供甚至更大的改变。
有利地，该上述公开的用于控制活性材料基物体的表面紋理的方法 可以应用于任何摩擦对其产生有利或不利影响的应用中，例如牵引装 置、离合器、闸、轴承、空气动力学、夹具、触觉系统、和噪音减少等。 其他可以有利地使用上述公开的方法的应用将是本领域的技术人员已 知的。此外，应当理解可以通过用于该表面的物体之中、之上或附近的 活性材料控制该表面的紋理和/或摩擦力水平。而且，尽管某些方法参照 了特定的活性材料进行了描述，但应当理解任何活性材料都可能能够用 于特定的方法，可以取决于该材料的物理特征。该活性材料也可以采用 任何物理形式，例如多孔的、实心的、埋置于笫二材料中(无规或取向 的)、层压物、固体、和网格等。
如前所述，适用于上述物体的活性材料包括但不局限于形状记忆 聚合物(SMP )、形状记忆合金(SMA )、磁性形状记忆合金(MSMA )、
13MR弹性体、压电材料、电活性聚合物(EAP)、作为一类的电致伸缩 材料和作为另 一类的磁致伸缩材料。
如前所述，适用于可以改变表面紋理和摩擦力水平的合适活性材料 包括但不局限于形状记忆合金("SMA",例如热和应力活化的形状 记忆合金和磁性形状记忆合金(MSMA))、电活性聚合物(EAP)， 例如介电弹性体、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、压电材料(例 如聚合物、陶瓷)和形状记忆聚合物(SMP)、形状记忆陶瓷(SMC)、 压力塑料、磁流变(MR)材料(例如流体和弹性体)、电流变(ER) 材料(例如流体和弹性体)、^磁致伸缩和电致伸缩材料，以及前述活性 材料和非活性材料的复合材料、包含前述活性材料中至少 一种的系统、 和包含前述活性材料中至少一种的组合。为简便起见并通过实例，此处 将参考形状记忆合金和形状记忆聚合物。形状记忆陶资、压力塑料等也 可以以类似方式应用。例如，用压力塑料材料时，高和低玻璃转化温度 (Tg)组分的纳米相畴的压力诱导混合实现形状改变。压力塑料可以以 较低温度重复加工而不会降解。SMC与SMA类似，但比其他形状记忆 材料能忍受更高得多的操作温度。SMC的实例是压电材料。
形状记忆合金一旦应用或去除外部激励就会恢复其最初形状的能 力导致其在施加力导致所需运动的致动器中的应用。活性材料致动器与 传统的电动和液压致动装置相比，有潜力降低致动器尺寸、重量、体积、 成本、噪声，并提高坚固性。例如，铁磁性SMA's表现出对施加磁场响 应(并与其强度成比例)的高至百分之几的快速尺寸改变。然而，这些 改变是单向改变，使用偏置力或场逆转使该铁磁性SMA返回其起始结 构。
物。最常使用的这些相是所谓的马氏体和奥氏体相。在以下讨论中，马 氏体相通常是指更容易变形的、更低温度的相，而奥氏体相通常是指更 具刚性的、更高温度的相。当该形状记忆合金处于马氏体相且加热时， 其开始转化为奥氏体相。这种现象开始的温度通常称作奥氏体起始温度 (As)。这种现象结束的温度通常称作奥氏体结束温度(Af)。当该形 状记忆合金处于奥氏体相且冷却时，其开始转化为马氏体相。这种现象 开始的温度通常称作马氏体起始温度(Ms)。奥氏体结束转化为马氏体 的温度通常称作马氏体结束温度(Mf) 。 As和Af之间的范围通常称作
马氏体到奥氏体的转化温度范围，而Ms和Mf之间的范围通常称作奥 氏体到马氏体的转化温度范围。应当注意上述转化范围是SMA样品经 受的应力的函数。通常，随着应力增大，这些温度也随之升高。由于前 述的性质，该形状记忆合金的形变优选在奥氏体起始温度或在该温度之 下(等于或低于As)进行。后续加热到上述奥氏体起始温度之上造成该 变形的形状记忆材料样品开始恢复到其最初(未受应力的)永久形状， 直至在奥氏体完成温度时结束。因此，和形状记忆合金一起使用的适合 的激活输入或信号是具有足以造成在马氏体和奥氏体相之间转化的量 级的热激活信号。
可以通过略微改变合金组成和通过热机械加工，来调节形状记忆合 金在加热时记住其高温形态(即其最初的未受应力的形状)的温度。例 如，在镍-钛形状记忆合金中，其可以从高于约100。C到低于约-10(TC变 化。该形状恢复过程可以发生在只有几度的范围内，或者在更宽的温度 范围上表现出更渐进性的恢复。根据所需的应用和合金组合物，该转化 的起始或结束可以控制到几度之内。形状记忆合金的机械性质在跨越其 转化的温度范围内变化很大，通常提供了形状记忆作用和超弹性作用。 例如，在马氏体相中，观察到比奥氏体相更低的弹性模量。通过用施加 的应力对晶体结构排列进行重排，马氏体相的形状记忆合金可以经受大 的变形。在应力去除后该材料将保持这一形状。换言之，在SMA中的 应力诱导相变本身是双向的，当SMA处于奥氏体相时施加足够的应力 将使其转变到较低模量的马氏体相。施加应力的去除将使SMA返回到 其奥氏体相，这样就恢复了其初始形状和更高的模量。
示例性的形状记忆合金材料包括镍-钛基合金、铟-钛基合金、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-钯基合金等。该合金可以是二元、三元或任何更高元 的，只要该合金组合物具有形状记忆作用，例如形状、取向、屈服强度、 挠曲模量、阻尼容量、超弹性和/或类似性质的改变即刻。适合的形状记 忆合金组合物的选择部分取决于目标应用的温度范围。
在较高温度下恢复到奥氏体相伴随着非常大的应力(与使该材料变 形所需的相比)，其可以高至奥氏体相材料的固有屈服强度，有时高至 该变形的马氏体相的三倍或更多倍。对于需要大量操作循环的应用，可
以得到小于或等于所用线的变形长度的约4%的应变。在用0.5毫米 (mm)直径的SMA线进行的实验中，得到了约为4%的最大应变。对 于更细的线或对于少量循环的应用，这一百分比可以提高到直至8%。 对可得到的应变的这种限制显著限制SMA致动器在空间有限的情况下 的应用。
FSMA是SMA的子类。FSMA的行为可以与常规SMA材料相似， 在马氏体和奥氏体之间具有应力或热诱导相转化。此外，FSMA具有4失 磁性，具有强的磁晶各向异性，这使得外磁场可以影响场排列的马氏体 变体(field aligned martensitic variant)的取向/部分。在去除了石兹场时， 该材料可以具有完全双向、部分双向或单向的形状记忆。对于部分或单 向形状记忆，外部激励、温度、》兹场或应力会使该材料可以恢复到其初 始状态。完美的双向形状记忆可以用于4吏用所施加的连续功率成比例控 制。单向形状记忆最适用于其中延时的恢复激励可以执行闭锁功能的闭 锁型应用。在汽车应用中，外磁场通常是通过软磁芯电磁体产生的，尽 管也可以使用 一对Helmholtz芯用于快速响应。
示例性的铁磁性形状记忆合金是镍-锰-镓基合金、铁-柏基合金、铁 -钯基合金、钴-镍-铝基合金、钴-镍-镓基合金。与SMA相似，这些合金 可以是二元、三元或任何更多元的，只要该合金组合物具有形状记忆作 用，例如形状、取向、屈服强度、挠曲模量、阻尼容量、超弹性和/或类 似性质的改变即可。适合的形状记忆合金组合物的选择部分取决于预期 应用的温度范围和响应类型。
如前所述，其他示例性的形状记忆材料是形状记忆聚合物(SMP)。 "形状记忆聚合物"通常是指一旦施加激励信号就会具有性质(例如模 量、尺寸、热膨胀系数、透湿性、光学性质(例如透射率)或包含前述 性质中至少 一种和微观结构和/或形态变化相结合的组合)的改变的聚合 物材料。形状记忆聚合物可以是热响应的(即性质的改变是直接通过热 提供或去除，或间接通过适于激发分子水平上高振幅振动导致产生内热 的频率振动传送的热激活信号造成的)、光响应的(即性质的改变是通 过电磁辐射激励信号造成的)、湿度响应的(即性质的改变是通过液体 激活信号，例如湿度、水蒸气或水造成的)、化学响应的(即对环境中 的一种或多种化学物种的浓度改变响应的；例如H+离子的浓度一环境 的pH值)或包含前述至少一种的组合。
通常，SMP是包含至少两种不同单元的相偏析共聚物 (phase-segregated copolymer),所述单元可以描述为限定SMP内的不 同片段，各片段对SMP的总性能贡献不同。此处所述的术语"片段" 是指相同或相似单体或低聚单元的嵌段、接枝或序列，其共聚构成SMP。 每个片段可以是(半)晶质的或无定形的，将分别具有相应的熔点或玻 璃态转化温度(Tg)。此处所用的术语"热转化温度"用于便于一般表 示取决于该片段是无定形片段或晶质片段的Tg或熔点。对于包含(n) 个片段的SMP,该SMP据称具有一个硬片段和(n-1 )个软片段，其中 该硬片段具有比任何软片段更高的热转化温度。因此，该SMP具有(n) 个热转化温度。该硬片段的热转化温度称作"最终转化温度"，所谓的 "软片段"的最低热转化温度称作"第一转化温度，，。重要的是注意到， 如果SMP具有多个特征在于相同热转化温度(也是最终转化温度)的 片段，那么SMP称作具有多个硬片段。
当SMP加热到最终转化温度之上时，该SMP材料可以获得永久的 形状。可以通过后续将SMP冷却到该温度之下来设定或记忆SMP的永 久形状。此处所用的术语"初始形状"、"前面限定的形状，，、"预设 形状"和"永久形状"是同义词，用于可互换使用。可以通过将该材料 加热到高于任何软片段的热转化温度但低于最终转化温度的温度，施加 外应力或负载以使SMP变形，然后冷却到软片段的特定热转化温度之 下同时保持该变形外应力或负载，来固化临时形状。
可以通过在去除该应力或负载的情况下，将该材料加热到软片段的 特定热转化温度但低于最终转化温度，来恢复该永久形状。因此，应当 清楚通过结合多个软片段，是能够显示多个临时形状的，通过使用多个 硬片段，能够显示多个永久形状。类似地，使用分层或复合方法，多种 SMP的组合将显示在多个临时和永久形状之间的转化。
该形状记忆材料也可以包含压电材并牛。而且，在某些实施方案中，
此处所用的;语:'压电"用;描、述当施加电压电势时发生机械变形(改
变形状)或者相反当机械变形时会产生电荷的材料。压电材料当受到施 加的电压时显示小的尺寸改变，所述响应与施加电场的强度成比例而是 是相当快的(能够容易地达到千赫范围)。因为其尺寸改变小(例如小 于0.1%),所以为了大大提高尺寸改变的量级，通常以压电陶资单压
电晶片或双压电晶片平片致动器(unimorph and bi-morph flat patch actuator)的形式使用，所述致动器经构造以一旦施加相对小的电压就弯 曲呈凹入或凸起形状。在该夹具的衬里内的这种片的变形/弯曲适用于夹 持物体的抓紧/释放。
单压电晶片的一种类型是由与柔性金属箔或条外部连接的单一压 电元件构成的结构，当用变化电压激活时受到该压电元件的激励并由于 它与压电元件的运动相反而产生轴向弯曲或偏转。单压电晶片类型的致 动器运动能够通过收缩或膨胀进行。单压电晶片能够具有高至约10%的 应变，但相对于单压电晶片结构的总体尺寸通常仅能够支持低的负载。
与单压电晶片压电装置相反，双压电晶片装置包括夹在两个压电元 件之间的中间柔性金属箔。双压电晶片比单压电晶片具有更大的位移， 因为在施加电压作用下， 一个陶资元件将收缩，而另一个则膨胀。双压 电晶片可以具有高至约20%的应变，但与单压电晶片类似，相对于单压 电晶片结构的总体尺寸通常不能支持高的负载。
示例性的压电材料包括无机化合物、有机化合物和金属。对于有机 化合物而言，可以使用所有具有非中心对称结构和在分子内的主链上或 在侧链上或两种链上具有大偶极距基团的聚合材料作为压电膜的候选 材料。聚合物的实例包括聚(4-苯乙烯磺酸钠)("PPS")、聚S-119 (聚(乙烯胺)主链偶氮发色团)及其衍生物；聚氟烃 (polyfluorocarbines)，包括聚偏l, l-二氟乙烯("PVDF，，)，其共 聚物1, 1-二氟乙烯("VDF，，)、三氟乙烯(TrFE)及其衍生物；聚 氯烃，包括聚氯乙烯("PVC，，)、聚l, 1-二氯乙烯("PVC2") 及其衍生物；聚丙烯腈("PAN")及其衍生物；聚羧酸，包括聚曱基 丙烯酸("PMA")及其衍生物；聚脲及其衍生物；聚氨酯("PU") 及其衍生物；生物聚合物分子，例如聚L-乳酸及其衍生物，和膜蛋白质， 以及磷酸酯生物分子；聚苯胺及其衍生物，和所有的四胺衍生物；聚酰 亚胺，包括K叩ton⑧分子和聚醚酰亚胺("PEI")及其衍生物；所有 膜聚合物；聚(N-乙烯基吡咯烷酮)("PVP")均聚物，及其衍生物， 和无规PVP-共-乙酸乙烯酯("PVAc，，)共聚物；和所有在主链或侧链 或在主链和侧链上都具有偶极距基团的芳香族聚合物；以及包含前述至 少一种的所有组合。
此外，压电材料可以包括Pt、 Pd、 Ni、 T、 Cr、 Fe、 Ag、 Au、 Cu
和包含前述至少一种的金属合金，以及包含前述至少一种的组合。这些
压电材料还可以包括例如金属氧化物，例如Si02、 A1203、 Zr02、 Ti02、 SrTi03、 PbTi03、 BaTi03、 Fe03、 Fe304、 ZnO,包含前述前述至少一 种的组合；和VIA和IIB族化合物，例如CdSe、 CdS、 GaAs、 AgCaSe2、 ZnSe、 GaP、 InP、 ZnS，以及包含前述至少一种的组合。
示例性的可变模量材料还包括磁流变(MR)和ER聚合物。MR聚 合物是微米尺寸的可磁极化的颗粒(例如如下所述的铁磁性或顺磁性颗 粒)在聚合物(例如热固性弹性聚合物或橡胶)中的悬浮体。示例性的 聚合物基质包括聚a-烯烃、天然橡胶、硅酮、聚丁二烯、聚乙烯、聚异 戊二烯以及包含前述至少一种的组合。
通过改变施加磁场的强度而改变剪切和压缩/拉伸^^莫量来实现该聚 合物结构的刚度和潜在的形状。该MR聚合物通常在磁场中暴露短至几 毫秒的时间时就显现其结构，其刚度和形状随施加场的强度呈比例变 化。MR聚合物停止暴露于磁场使该过程反转，使弹性体恢复到其较低 模量状态。然而，场生成线圈(field generating coil)的包装会带来挑战。
电子电活性聚合物(EAP)是具有低弹性模量的介电材料中间层的 一对电极的层压物。在电极之间施加电势挤压中间层，使其在平面内膨 胀。它们对施加的场呈比例响应，可以在高频下激活。EAP渐变层压片 (EAP morphing laminate sheet)已经得到证实。其主要缺点在于其需要 施加的电压是压电材料所需的约三个数量级高。
电活性聚合物包括对电或机械场响应的压电、热电或电致伸缩性质 的聚合物材料。电致伸缩的接枝弹性体和压电聚(1, 1-二氟乙烯-三氟 乙烯)共聚物的实例(An example of an electrostrictive誦grafted elastomer with a piezoelectric poly(vinylidene fluoride-trifluoro-ethylene) copolymer)。这种组合具有产生各种量的铁电-电致伸缩分子复合体系 的能力。
橡胶，其对静电场响应而变形，或者其变形导致电场的改变。示例性的 适用作预应变聚合物的材料包括硅酮弹性体、丙烯酸弹性体、聚氨酯、 热塑性弹性体、包含PVDF的共聚物、压敏粘合剂、含氟弹性体、包含 硅酮和丙烯酸部分的聚合物(例如包含硅酮和丙烯酸部分的共聚物，包 含硅酮弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物混合物，等)。
用作电活性聚合物的材料可以根据材料性质选择，所述性质例如高 电击穿强度、低弹性模量(例如用于大的或小的变形)、高介电常数等。 在一种实施方案中，该聚合物的选择可以使得其具有小于或等于约100
MPa的弹性模量。在另一实施方案中，该聚合物的选择可以使得其具有 纟勺0.05 3L巾白(MPa) ~纟々10MPa(或者更净争另'U也，纟々0.3MPa ~纟々3MPa) 的最大激励压力。在另一实施方案中，该聚合物的选择可以使得其具有 约2~约20 (或者更#别地，约2.5~约12)的介电常数。本发明并不 旨在限定到这些范围。理想地，如果材料具有高介电常数和高介电强度， 那么具有高于上述给出范围的介电常数的所述材料会是合意的。在很多 情况中，电活性聚合物可以制造和实施为薄膜形式，例如具有小于或等 于约50微米的厚度。
由于电活性聚合物可以在高应变下偏转，因此与该聚合物连接的电 极也应当偏转，而不会损害机械或电性能。通常，适用的电极可以具有 任何形状和材料，只要其能够为电活性聚合物提供适合的电压或者接收 来自其的适合电压。该电压可以是恒定的或随时间改变的。在一种实施 方案中，该电极与该聚合物的表面粘合。与该聚合物粘合的电极可以是 顺应性的(compliant)并和该聚合物的变〗t中的形状共形。该电才及可以 仅施加到电活性聚合物的一部分，并依照其几何形状限定活性区域。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、包含不同 的面外尺寸(out of plane dimension)的织构化电极、导电油脂(例如石友 油脂和银油脂)、胶状悬浮液、高纵横比的导电材料(例如碳纤维和碳 纳米管，和离子传导性材料的混合物)以及包含前述至少一种的组合。
示例性的电极材料可以包括石墨、碳黑、胶状悬浮液、金属(包括 银和金)、充填凝胶和聚合物(例如银充填和碳充填的凝胶和聚合物)、 和离子或电传导性聚合物，以及包含前述至少一种的组合。应当理解某 些电极材料可能适用于特定的聚合物而可能不适用于其他聚合物。举例 而言，碳纤维适用于丙烯酸弹性体聚合物，而不适用于硅酮聚合物。
磁致伸缩材料是当受到外加磁场时具有大机械变形的固体。该磁致 伸缩现象归因于该材料中小磁畴的旋转，当该材料未暴露于磁场时所述 磁畴是无规取向的。该形状改变在铁磁体或铁磁性固体中是最大的。这 些材料具有非常快的响应能力，其应变与施加磁场的强度成比例， 一旦 将场去除，其就恢复到其最初尺寸。然而，这些材料具有约0.1 约0.2%的最大应变。
该说明书使用实施例来描述本发明，包括最佳模式，同时用于使本 领域的技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可专利性范围由权利 要求限定，可以包括本领域技术人员想到的其他实施例。如果这些其他 实施例具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元素，或者如果其包 括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元素，那么这种其他 实施例也意于在权利要求的范围内。
权利要求
1.用于选择性控制和改变表面纹理的装置，包括具有至少一个表面的物体；和与该至少一个表面操作连接的活性材料，其中该活性材料经构造以一旦接收到激活信号就发生性质的改变，其中该性质的改变有效地改变了该至少一个表面的纹理。
2. 权利要求1的装置，其中该活性材料包括形状记忆聚合物、形状 记忆合金、铁磁性形状记忆合金、电活性聚合物、压电材料、磁流变弹 性体、电流变弹性体、电致伸缩材料、磁致伸缩材料或包含前述活性材 料中至少一种的组合。
3. 权利要求l的装置，其中该性质的改变包括尺寸改变、形状改变、 取向改变、挠曲模量改变、弹性模量改变或包含前述性质中至少一种的 组合。
4. 权利要求l的装置，其中该激活信号包括热激活信号、电激活信 号、磁激活信号、化学激活信号、机械负载或包含前述激活信号中至少 一种的组合。
5. 权利要求1的装置，进一步包含经构造以为该活性材料提供该激 活信号的活化装置。
6. 权利要求1的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地改变 了横跨该表面的气流边界层。
7. 权利要求1的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地改变 了该表面和接触物体之间的摩擦系数。
8. 权利要求1的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地提供 了触觉信号。
9. 权利要求1的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地降低 了在该至少 一 个表面上的流体流动产生的噪声。
10. 权利要求1的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地降 j氐了该至少一个表面上的眩光。
11. 权利要求1的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地散 射并由此降低该至少一个表面反射的声音。
12. 权利要求1的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地从 该至少一个表面上分离和去除了涂层、沉积物、污染物和包含前述至少一种的组合。
13. 权利要求l的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地指 示了该至少一个表面对选自温度和磁场中的一种和两种超出预设水平的暴露。
14. 权利要求1的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地降 低了该至少 一个表面和第二表面之间的接触以允许气体和/或液体流过 该至少一个表面和第二表面之间的界面。
15. 权利要求1的装置，其中该至少一个表面的紋理改变有效地改 变了该至少一个表面的视觉外观，其中该视觉外观的改变是在光洁表面 和粗糙表面之间的转变、紋理化图案的诱发，以及包含前述至少一种的 组合。
16. 权利要求1的装置，其中该物体进一步包括包含活性材料的 第一层，其中该第一层经构造以在该活性材料发生性质改变时从第一厚 度改变为第二厚度，其中该厚度的改变有效地提高和/或降低了表面紋理。
17. 用于选择性控制和改变表面紋理的方法，包括 提供具有至少一个表面的物体和经构造以一旦接受到激活信号就会发生性质改变的活性材料，其中该性质改变有效地改变了该至少 一 个 表面的紋理；和对活性材料施加激活信号和造成该活性材料的性质改变，其中该活 性材料与该至少一个表面操作连接，并随着活性材料的性质改变使该至 少一个表面紋理化。
18. 权利要求16的方法，进一步包括停止所述激活信号并逆转所 述至少 一 个表面的紋理的所述变化。
19. 权利要求16的方法，其中该活性材料包括形状记忆聚合物、形 状记忆合金、铁磁性形状记忆合金、电活性聚合物、压电材料、磁流变 弹性体、电流变弹性体、电致伸缩材料、磁致伸缩材料或包含前述活性 材料中至少一种的组合。
20. 权利要求16的方法，其中该性质的改变包括尺寸改变、形状改 变、取向改变、挠曲模量改变、弹性模量改变或包含前述性质中至少一 种的组合。
全文摘要
本发明涉及用于改变表面纹理和摩擦力水平的活性材料基物体，尤其涉及用于选择性控制和改变表面纹理的装置包括具有至少一个表面的物体，和与该至少一个表面操作连接的活性材料，其中该活性材料经构造以一旦接收到激活信号就会发生性质的改变，其中该性质的改变有效地改变了该至少一个表面的纹理。
文档编号F16D13/64GK101368663SQ200810145679
公开日2009年2月18日 申请日期2008年8月15日 优先权日2007年8月16日
发明者A·C·基夫, A·L·布劳恩, C·P·亨利, G·A·埃雷拉, G·P·麦克奈特, N·D·曼凯姆, N·K·布克诺尔, N·L·约翰逊, W·巴沃萨-卡特 申请人:通用汽车环球科技运作公司