教学与研究2023年9期

基于记忆合金热形变原理的新型节温器设计

李润泽 孟德忠 谢佳文 邬文忻

（1. 中国地质大学（北京） 工程技术学院，北京100083；

2. 中国地质大学（北京） 数理学院，北京100083；

3. 中国地质大学（北京）郑州研究院，郑州450006）

摘要：本文研究了具有形状记忆效应的镍钛合金材料在不同温度下的相变特性和在相变温度附近的形变行为，通过实验测定和理论计算，选取了最适合制作节温器的材料（Mf=34.4℃，Af=71.9℃），在形状记忆合金的应用机理基础上制作Ni-Ti形状记忆合金弹簧，通过计算研究其力学性能，得到弹簧的劲度系数K=214.26 N/m, Ft = 10.13 N。基于形状记忆合金制作了建议节温器实物模型，并进一步优化制作了一款新型、有效的汽车通用节温器的模拟装置，最终实现节能、方便、减少滞回的效果。

关键词：镍钛形状记忆合金；热形变；节温器

中图分类号：TH128        文献标识码：A

Design of a new thermostat based on the principle of thermal deformation of memory alloy

LI Runze 1, MENG Dezhong 2,3, XIE Jiawen 1, WU Wenxin 1

（1.School of Engineering and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083;

2. School of Science, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083;

3. Zhengzhou Institute, China University of Geosciences (Beijing), Zhengzhou，450006;)

Abstract: In this paper, the phase transition characteristics of Ni-Ti alloy materials with shape memory effect at different temperatures and the deformation behavior near the phase transition temperature were studied. Through experimental measurement and theoretical calculation, the most suitable material for the thermostat (Mf = 34.4℃, Af = 71.9℃) was selected. When the Ni-Ti shape memory alloy spring is made based on the application mechanism of the mechanical properties, the strength coefficient of the spring is K = 214.26 N/m, Ft = 10.13 N. The physical model of thermostat is made based on the shape memory alloy. Furthermore, a new and effective automotive thermostat is optimized to achieve the effect of energy saving, convenience and reduced hysteresis.

Key words: Ni-Ti shape memory alloy; Thermal deformation; thermostat

0 前沿

形状记忆合金[1]是由两种以上的金属元素构成，在某些特定条件下进行一定的变形后，再施加外部条件恢复到变形前的特殊合金。形状记忆合金在高温作用下退火（大于Af温度）形成一定的形状后，冷却到一定低温条件（小于Mf温度）中进行塑性变形时，能变成另外一种形状，然后经加热（再加热到大于Af温度）通过逆相变反应即可迅速恢复到高温时的形状。形状记忆效应技术迄今已有近90年的悠久发展演变历史，其研究可以追溯到1930 年代，Greninger等一批学者首先在CuZn合金中发现了形状记忆效应[2]。1950年代张禄经和Read在 Au-Cd合金和In-Ti合金中也观察到了形状记忆效应[3]。Buehlen等人在NiTi合金中观测记录到热相弹性马氏体经逆相变和冷却后又能快速的回复原形变而成的母相的形状，于是被正式地命名为形状记忆合金[4]。随后，在高温合金CuAlNi和CuZnAl的研究中成功地发现了高温形状记忆效应。80年代开始研究发展出许多诸如FeMnSi、不锈钢等新型高温铁基形状记忆合金。90年代末又陆续研究开发出了新型的高温形状记忆合金。从此新型形状记忆合金成为了材料研究领域的工作重点，发挥了更加灵活多元的应用。如今，形状记忆合金已经广泛的应用到了生产生活的各行各业，如医疗、工业安全、航空航天等方面。形状记忆合金的一个重要应用是形状记忆弹簧，人们在该领域的相关研究也不断深入。孙俊课题组[5]在对有关NiTi形状记忆合金弹簧的超低软弹性特性结构理论及其柔性缓冲与减震等性能技术研究工作中认为：NiTi形状记忆合金弹簧在柔性软缓冲性能及吸收能与减震性能方面具有世界上较为先进且广阔的产业化开发及应用前景。杨浩[6]在有关形状记忆合金弹簧的柔性驱动模块结构系统设计仿真与性能控制研究中，将记忆合金弹簧拟应用于模块化设计及软体机器人中。赵果等[7]在建筑工程领域对形状记忆合金弹簧的张拉膜结构风振控制进行探讨。邱春龙等[8]使用形状记忆合金弹簧与普通弹簧进行搭配，以形状记忆合金弹簧作为驱动力来进行热机驱动器的研制。杨天夫[9]等分别对形状记忆合金弹簧所能够驱动的机械手进行了长期运动及状态跟踪分析，模拟出来了这些机械手指的长期、稳定的定向运动。这些科技成果可以广泛的应用到生产生活的各行各业，为科技进步和发展灌输极大的动力。

汽车节温器是现代汽车上一种能够自动控制调节汽车发动机冷却液流动路径的小型控制阀门，它可以实时根据车辆冷却水温度高低自动控制并调节进入汽车散热器的循环水量，以保证车辆的整个发动机系统在事宜的运行工况温度范围内进行连续运行工作，有效地节约车辆系统能耗资源。目前，我国柴油机上广泛使用的控温装置之一是油蜡式节温器，但鉴于目前其系统存在着低温响应延迟特性和在低温时加热、冷却等反应传递过程中产生“滞回”的特性，对内燃机性能问题是一个很大的制约。因此，在汽车节温器领域，新型电控、温控节温器不断涌现。李文文[10]提出了基于Android系统的电子节温器测控系统设计与实现，通过采集和控制模块实时检测冷却液的温度、电机的转速和工作电流等参数来调控阀门的实时闭合，将节温器数字化；唐炯[11]等对燃料电池汽车发动机应用及发展技术历程上的几个主要问题进行研究和分析，提出了电机式节温器技术，是现阶段适合于燃料电池系统对电机温度的自动补偿调节技术的最新应用方法。

本文根据记忆合金热形变原理，设计了一款面向汽车工程领域的形状记忆合金新型节温器。这种新型热效应节温器利用镍钛形状记忆合金为温控驱动元件设计而成，通过两合金弹簧拉力的制约关系来改变锥塞的开闭状态，以实现调节温度的目的。

1 实验方法

1.1实验材料

本次实验材料选用NiTi单程形状记忆合金丝，参考相变温度在30-100℃之间。根据节温器目标温度不同，本实验选择了四种合金丝（依次为1-4），参考相变温度分别为35℃、62℃、70℃和90℃，直径均为1 mm。选择该材料的优势在于：性能稳定，有独特高效的形状记忆功能；具有超弹性能力：弹性伸缩率稳定在20%以上；还具有良好的抗疲劳、耐磨损、抗腐蚀性等性能。

1.2 材料性能表征

为了对比研究镍钛合金的相变特性和在相变温度附近的形变行为，了解其热形变情况，本实验中通过对四种不同含量的镍钛合金进行扫描电子显微镜分析（SEM）、能谱分析和差式扫描量热（DSC）分析，评价了原始材料的基本性能。

本实验中用NETZSCH DSC 214 polyma DSC21400A-0226-L型的热流型差示扫描量热仪对四种镍钛合金材料进行热分析，加热气氛为50.0 ml/min的N2，加热和降温速度为10℃/min，在最高温度120℃保温2min，得到四种镍钛合金在热循环过程中的DSC曲线。根据DSC曲线得到各类材料马氏体-奥氏体相变的温度。

1.3 装置制备

基于记忆合金热形变的原理，搭建了简易节温器模型装置，装置组件包括：滑轮、镍钛合金丝、固定木板、螺丝、医用橡胶管、棉线、铁盒、普通硬质金属弹簧，锥塞，并进一步设计了节温器模型图。

2 实验结果

2. 1 扫描电子显微镜分析

在实验中使用扫描电子显微镜观察不同温度下NiTi形状记忆合金表面材料的形貌并测定其元素含量。从图1中可以看出1-4号样品的镍钛质量比分别为43.0 : 57.0、32.3 : 67.7、49.0 : 51.0和47.6 : 52.4。

不同的镍钛质量比会影响镍钛记忆合金的相变温度，由于节温器需要控制内燃机冷却液流口在低温时闭合、高温时打开，因此调整不同的镍钛含量比以便于找到更适合制作记忆合金节温器的材料。

图1样品1-4（a-d）镍钛记忆合金的SEM图和对应的元素分布（能谱图对应红色区域）

2. 2 DSC差式扫描量热分析

为了了解不同镍钛含量的形状记忆合金的相变转变温度，本实验通过差式扫描量热仪分析了材料的相变温度。图2为四个样品的实验结果。在实验升温过程中，实验材料发生马氏体相到母相（奥氏体相）的转变，降温过程中则发生母相（奥氏体相）转变为马氏体相。其中各样品的母相（奥氏体相）相变开始温度As，母相（奥氏体相）相变终止温度Af，马氏体相变开始温度Ms，和马氏体相变终止温度Mf 统计在表1当中。从表中可以看出样品的参考温度基本与奥氏体相变终止温度相接近。因此，经过数据处理与分析，同时参考汽车节温器的工作温度是70℃-80℃之间，选择最适合的三号材料制作成弹簧并使用在装置中。3号材料的相关参数Mf为34.4℃，Af为71.9℃。在低温时（低于34.4℃）通过记忆合金的相变控制冷却液不进入，而高温时（高于71.9℃）冷却液随温度上升而缓慢进入发动机中，实现到保护发动机的效果，故接下来选择3号材料进行研究。

  图2 四种样品的的DSC曲线图

表1四种镍钛合金的马氏体奥氏体相变的温度和镍钛比

3装置搭建AS ：母相-奥氏体相变开始温度AF：母相-奥氏体相变终止温度MS：马氏体相变开始温度MF：马氏体相变终止温度

3.1装置理论计算

首先将3号样品的镍钛记忆合金丝绕制成镍钛记忆弹簧。使用材料力学的相关公式计算NiTi记忆合金弹簧的劲度系数K，其计算公式如下：

  (2)

 (3)

其中R为簧丝半径，D为簧圈直径，L为簧丝有效长度，G为剪切弹性模量，τ为切应力，γ为切应变。计算得.

由公式（1）（2）（3）联立化简得出计算弹簧劲度系数的公式：

公式中的尺寸数据如下：簧丝半径0.5 mm、簧圈直径10 mm、簧丝有效长度20 cm、剪切弹性模量11.6 GPa（加热时处于马氏体相）。代入相关数据计算得K=227.65 N/m。

3.2实验测定

将3号镍钛合金弹簧常温下拉伸，加热弹簧使镍钛合金弹簧收缩，通过测定拉伸后的弹簧总长以及收缩后的弹簧长度进而测定弹簧的形变量，并利用弹簧测力计测定瞬时拉力Ft，进而求出K值。实验测得 K=214.26 N/m, Ft = 10.13 N，实验数据与理论推导数据相近。对比上述结果，在误差允许的范围内，上述结果有效，并满足装置的需求。

3.3节温器装置介绍

基于记忆合金热形变的原理，本装置主要通过记忆合金弹簧和普通硬质弹簧的连接装置提供对抗重物重力的方式工作。当温度低时镍钛合金弹簧受重物拉力以及普通硬质弹簧弹力而伸长使被拉重物下落堵住出口。当弹簧温度升高时，记忆合金弹簧猛烈收缩抵抗普通弹簧拉力并拉起重物，使冷却液从出口流出，将弹簧所在变温舱室降温。降温后，重物再次受普通弹簧弹力和自身重力落回原处堵住流口，以此循环往复。应用在新型节温器中，便能够完成节温器的调温工作。

装置简图的设计如下（图3、图4）：定滑轮通过螺钉钉在木板上，使用棉线跨过三个定滑轮，棉线的一段（空间位置位于上方）连接套有普通金属弹簧的锥塞，同时此处与胶管冷却液入水口进行配合并安装有冷却舱室，棉线的另一端（空间位置位于下方）连接有镍钛合金记忆弹簧，同时弹簧另一端固定在变温舱室中，胶管的出水口也接在变温舱室上。

节温器的设计图如下（图 5）：工作时，有热气流影响，记忆合金弹簧的拉力（弹力约为45 N）大于普通弹簧拉力与闭合阀门所产生的力（图中金黄色区域），此时阀门开，冷空气进入；之后形变转变，阀门闭合。在此过程中，不仅保证了记忆合金弹簧和普通弹簧的拉力匹配，也保证了阀门处结合紧密不漏气。考虑到腔室内部会有大气压的作用，冷热流压差不影响弹簧的正常工作。该记忆合金节温器适用于各种汽油机、柴油机等，其本身具有节能、环保、成本低廉的效果，同时将记忆合金节温器标准化，可以作为一种通用的汽车零件可以广泛的安装到汽油车、柴油车、油电一体车。

图5 节温器设计图

4 结语

本实验评价了四种典型镍钛形状记忆合金的相变温度，选择适当相变温度（Mf=34.4℃，Af=71.9℃）的镍钛合金材料，成功制备了镍钛合金记忆合金弹簧，并测量其K=214.26 N/m, Ft = 10.13 N。将镍钛记忆合金弹簧应用在新型节温器中，制作了一款新型、有效的节温器模拟装置。该装置通过形状记忆合金变温伸缩控制低温水进入控温区域，从而达到控制温度的目的，同时该装置系统对环境无污染，绿色亲和，成本低廉，有望在汽车等领域开展生产应用。

参考文献

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