專利名稱：基于活性材料的氣流控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制交通工具氣流的設(shè)備，更具體地說，涉及用于控制交通工具氣流的設(shè)備，所述氣流可根據(jù)不同條件通過活性材料的變化而被調(diào)整，所述調(diào)整通過活性材料在形狀、尺寸和/或剛性變化而進(jìn)行。
背景技術(shù)：
在交通工具上方、下方、周圍和/或穿過交通工具的氣流可以影響交通工具性能的許多方面，包括交通工具拖曳力、交通工具提升力和下降力、交通工具動力系和空調(diào)系統(tǒng)的冷卻/熱交換。交通工具拖曳力的減小改進(jìn)了燃料經(jīng)濟(jì)性。交通工具提升力和下降力可以影響交通工具穩(wěn)定性和操控。如本文中所用，術(shù)語“氣流”是指相對于交通工具外表面或者交通工具元件表面，在交通工具部件周圍或者穿過交通工具部件的空氣運(yùn)動，沿著所述表面，外部氣流可被導(dǎo)向，如發(fā)動機(jī)艙中的表面。術(shù)語“拖曳力”是指由與流體中運(yùn)動物體重心移動相反方向的摩擦所引起的阻力。如本文中所用的術(shù)語“提升力”是指相對于交通工具的氣流在豎直向上方向作用于交通工具所產(chǎn)生的合力的分量。如本文中所用的術(shù)語“下降力”是指相對于交通工具的氣流在豎直向下方向作用于交通工具所產(chǎn)生的合力的分量。
控制相對于交通工具的氣流的交通工具制造領(lǐng)域已知的設(shè)備通常具有預(yù)定的、非可調(diào)的幾何形狀、位置、取向和剛性。這種設(shè)備通常不隨著行車狀況變化而適應(yīng)，因此相對于交通工具的氣流不能被調(diào)整以較好地適應(yīng)變化的行車狀況。另外，目前交通工具下部的氣流控制設(shè)備可減少離地距離。交通工具設(shè)計(jì)者面臨著這樣的挑戰(zhàn)控制氣流同時(shí)保持足夠的離地距離以避免與停機(jī)坪、多層停車庫、坑洼、路緣等接觸和受到損害。進(jìn)一步地，惡劣天氣，如深雪泥或降雨，可損害該設(shè)備和/或妨害交通工具的操控。
目前固定的氣流控制設(shè)備可通過將該設(shè)備固定和/或連接到液壓、機(jī)械、電氣致動器和/或類似物而得到調(diào)節(jié)。例如，一些交通工具擾流器可根據(jù)致動器信號調(diào)整位置和/或取向。然而，這種致動器通常需要額外的組件如活塞、馬達(dá)、電磁線圈和/或類似用于激活的機(jī)構(gòu)，其增加了該設(shè)備的復(fù)雜性，常導(dǎo)致故障模式、維修和生產(chǎn)成本的增加。因此，存在著對在不同行車狀況下控制交通工具氣流的可調(diào)節(jié)的設(shè)備的需要，其提高了設(shè)備的簡單性同時(shí)減少了設(shè)備問題和故障模式的數(shù)目。

發(fā)明內(nèi)容
在本文中公開了一種用于交通工具的氣流控制設(shè)備，即空氣導(dǎo)流器。該空氣導(dǎo)流器包括具有至少一個表面的主體部分，和與該至少一個表面有效連通的活性材料，該活性材料根據(jù)激活信號有效改變至少一種屬性，其中跨越該空氣導(dǎo)流器的氣流隨著該活性材料至少一種屬性的變化而改變。
還公開了一種控制交通工具氣流的系統(tǒng)，其包括交通工具的固定表面；和固定連接到該固定表面的空氣導(dǎo)流器，該空氣導(dǎo)流器包括具有至少一個表面的空氣偏轉(zhuǎn)主體，與該至少一個表面有效連通的活性材料，該活性材料根據(jù)激活信號有效改變偏轉(zhuǎn)主體的特征，和與該活性材料功能連通的激活設(shè)備，該激活設(shè)備是可操作的以選擇性地提供該激活信號，該激活信號引發(fā)該活性材料的至少一種屬性的變化，其中該活性材料的至少一種屬性的變化改變該空氣偏轉(zhuǎn)主體的特征。
還公開了一種控制交通工具氣流的方法，將氣流控制設(shè)備置于交通工具固定表面上，該氣流控制設(shè)備包括具有至少一個表面的主體，和與該至少一個表面有效連通的活性材料，該活性材料根據(jù)激活信號有效改變至少一種屬性；當(dāng)滿足和/或超過預(yù)定的交通工具狀況時(shí)，選擇性地引入激活信號；和使該活性材料的至少一種屬性從第一至少一種屬性變化到第二至少一種屬性。
通過下列附圖和詳細(xì)說明舉例說明上述及其他特征。


現(xiàn)在參考附圖，其意指示范性實(shí)施方案，并且其中同樣的元件標(biāo)以同樣的數(shù)字。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的氣流控制設(shè)備的透視圖；圖2a和2b是根據(jù)本發(fā)明的在表面上具有活性材料的氣流控制設(shè)備的透視圖；圖3a是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有嵌入在主體表面內(nèi)的活性材料的氣流控制設(shè)備的透視圖；圖3b是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有嵌入在主體內(nèi)的活性材料的氣流控制設(shè)備的透視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的其中活性材料外部連接到氣流控制設(shè)備表面的氣流控制設(shè)備的透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的其中活性材料外部連接到氣流控制設(shè)備表面的氣流控制設(shè)備的透視圖；圖6顯示用于圖5的氣流設(shè)備的管的端視圖；圖7顯示根據(jù)另一個實(shí)施方案的由用于氣流設(shè)備的活性材料形成的扭簧的端視圖；圖8描述了根據(jù)另一個實(shí)施方案的氣流控制設(shè)備；圖9描述了根據(jù)另一個實(shí)施方案的氣流控制設(shè)備；圖10描述了根據(jù)另一個實(shí)施方案的氣流控制設(shè)備。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種用于交通工具的氣流控制設(shè)備，其中該氣流控制設(shè)備能夠可逆地改變形狀、尺寸、取向、位置和/或剛性，該變化通過激活活性材料而進(jìn)行，允許該氣流控制設(shè)備適應(yīng)于不同的行車狀況。使用如本文中所述的活性材料有利地提供一種重量輕的、固有堅(jiān)固的和比現(xiàn)有外部致動裝置復(fù)雜性低的致動機(jī)構(gòu)。此外，在本文中所述的氣流控制設(shè)備還是低成本的并且可容易適應(yīng)設(shè)計(jì)，其可由對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)有限的改變而得到整合。如本文中所用，術(shù)語“交通工具”包括任何受到氣流的結(jié)構(gòu)，包括但不意欲受限于，汽車、公路上的牽引車、船、摩托車、飛機(jī)、雪橇、太空船等。
如圖1所示，用于交通工具的氣流控制設(shè)備(在本文中還稱作空氣導(dǎo)流器)，通常由參考數(shù)字10表示，包括具有至少一個表面13、14、15的主體部分12和與至少一個表面13、14、15和/或主體12有效連通的活性材料16，該活性材料16具有第一至少一種屬性，其根據(jù)激活信號有效變化到活性材料16?；钚圆牧?6的屬性和其變化指的是活性材料16的特性，例如但不限于，形狀、尺寸、剛性、其組合等?；钚圆牧?6的至少一種屬性的變化影響氣流設(shè)備10的各個特征，例如但不限于，形狀、尺寸、位置、取向、剛性、其組合，和/或類似特征，導(dǎo)致跨越設(shè)備10的氣流的變化。如此，設(shè)備10是可調(diào)節(jié)的，跨越設(shè)備10的氣流在不同行車狀況下隨著活性材料16的至少一種屬性的變化而改變。
用汽車舉例來說，氣流控制設(shè)備10可以是任何的各種結(jié)構(gòu)，包括但不局限于，前擾流板、翼板外接板、側(cè)裙板槽(side skirt crib)、駕駛室、后擾流器和后擋板擾流器；用于通過散熱器、其他換熱器、發(fā)動機(jī)艙在傳動系和傳動裝置上控制氣流的通風(fēng)窗；和用于頂板蓋、活動頂篷、通風(fēng)窗口的空氣導(dǎo)流器和導(dǎo)風(fēng)板；和類似結(jié)構(gòu)。示范性的前擾流板包括在交通工具底盤前部下面的車身外殼的突出物，其起作用以減少交通工具下面的空氣湍流和拖曳力的量，以及將冷卻空氣引導(dǎo)至散熱器。進(jìn)一步地，許多氣流控制設(shè)備，尤其空氣導(dǎo)流器，改進(jìn)了交通工具穩(wěn)定性和增加了油耗定額。例如，在低速時(shí)，前擾流板可被活動地放置，使得提供額外的離地距離，如可能期望清除路面減速突起，提供停車用路緣間距等。在較高速時(shí)，前擾流板可被活動地放置以將輸入氣流轉(zhuǎn)移入冷卻系統(tǒng)，或在交通工具周圍將空氣轉(zhuǎn)移以改進(jìn)空氣動力學(xué)、改進(jìn)交通工具穩(wěn)定性、提高油耗定額等。應(yīng)該明白的是設(shè)備10可能是交通工具通風(fēng)窗系統(tǒng)的一部分和/或交通工具的獨(dú)立組件。
主體12(在本文中還稱作空氣偏轉(zhuǎn)主體)可能是任何的各種材料和結(jié)構(gòu)，其能夠使氣流設(shè)備10起作用，并且進(jìn)一步地包含至少一個表面13、14或15。在一個實(shí)施方案中，主體12由柔性材料組成，其顯現(xiàn)足夠的柔性以當(dāng)活性材料16改變至少一種屬性時(shí)作為可調(diào)節(jié)的氣流控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。在另外的實(shí)施方案中，主體12可能包含一種或多種活性材料16。該活性材料16可根據(jù)激活信號改變至少一種屬性，并且當(dāng)該激活信號中斷時(shí)復(fù)原到該至少一種屬性的初始狀態(tài)，或者，對于那類當(dāng)該激活信號中斷時(shí)不自動復(fù)原的活性材料來說，可使用替代的裝置以將活性材料復(fù)原到其初始狀態(tài)，如將在本文中詳細(xì)論述的。如此，該氣流控制設(shè)備10起作用以按照變化著的行車狀況而調(diào)整，同時(shí)提高了設(shè)備的簡單性并且減少故障模式的數(shù)目。
活性材料16包括那些可根據(jù)激活信號在剛性性能、形狀和/或尺寸方面顯現(xiàn)變化的組合物，對于不同的活性材料16，所述激活信號可采取電場、磁場、熱場和類似場的類型。優(yōu)選的活性材料16包括但不局限于形狀記憶材料類，和其組合。形狀記憶材料泛指能夠記憶其初始的至少一種屬性如形狀，其隨后可通過施加外界刺激而被恢復(fù)的材料或者組合物，如將在本文中詳細(xì)論述的。因而，初始形狀的變形是暫時(shí)性狀態(tài)。如此，形狀記憶材料可根據(jù)激活信號變化為受訓(xùn)(trained)的形狀。示范性的活性材料包括形狀記憶合金(SMA)、形狀記憶聚合物(SMP)、電活性聚合物(EAP)、鐵磁性SMA、電流變流體(ER)、磁流變流體(MR)、介電彈性體、離子型聚合物金屬復(fù)合物(IPMC)、壓電聚合物、壓電陶瓷、上述材料的各種組合，等等。
形狀記憶合金(SMA)泛指一類金屬材料，當(dāng)受到合適的熱刺激時(shí)，其顯示出能夠返回到某種預(yù)先限定的形狀或者尺寸。形狀記憶合金能夠經(jīng)受相變，其中其屈服強(qiáng)度、剛性、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”是指材料顯現(xiàn)出應(yīng)力和應(yīng)變比例指定偏差時(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，而當(dāng)暴露于某一較高溫度時(shí)，會轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相或者母相，返回到其變形前的形狀。僅僅當(dāng)加熱時(shí)顯現(xiàn)這種形狀記憶效應(yīng)的材料被稱為具有單向形狀記憶。當(dāng)再冷卻時(shí)還顯現(xiàn)形狀記憶的那些材料被稱為具有雙向形狀記憶性能。
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、或者任何更高級的，只要合金成分顯現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，例如，形狀取向、阻尼容量等的變化。例如，鎳-鈦基合金是市售可得的，獲自Shape Memory Applications，Inc.，商標(biāo)為NITINOL。
形狀記憶聚合物(SMP)在本領(lǐng)域中是已知的，并且泛指一類聚合物的材料，當(dāng)受到合適的熱刺激時(shí)，其顯示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具有兩個主要鏈段，硬鏈段和軟鏈段。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)化通常是該硬鏈段的玻璃態(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鏈段的Tg或轉(zhuǎn)化溫度、但低于該硬鏈段的Tg或熔點(diǎn)的溫度而固化。當(dāng)在軟鏈段轉(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鏈段的轉(zhuǎn)化溫度之上，該材料可以被復(fù)原到永久性形狀。
合適的形狀記憶聚合物包括熱塑性塑料、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)。該聚合物可以是單個聚合物或聚合物的混合物。該聚合物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。形成形狀記憶聚合物合適的聚合物組分包括但不局限于聚磷腈、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。
該活性材料16也可包含一種電活性聚合物如離子型聚合物金屬復(fù)合物、導(dǎo)電聚合物、壓電材料等。如本文中所用的，術(shù)語“壓電”用于描述一種材料，當(dāng)施加電壓電勢時(shí)，其機(jī)械地變形，或者相反，當(dāng)機(jī)械地變形時(shí)，其產(chǎn)生電荷。
合適的MR彈性體材料包括但不意欲受限于包括鐵磁性或順磁性粒子的懸浮體的彈性聚合物基質(zhì)，其中粒子是上述的。合適的聚合物基質(zhì)包括但不局限于聚-α-烯烴、天然橡膠、硅氧烷、聚丁二烯、聚乙烯、聚異戊二烯等。
電活性聚合物包括根據(jù)電場或機(jī)械載荷顯示壓電、熱電、或電致伸縮性能的那些聚合物材料。這些材料通常使用屈從電極，其能夠使高分子膜根據(jù)所施加電場或機(jī)械應(yīng)力在共面方向擴(kuò)展或收縮。實(shí)例是具有壓電聚(偏二氟乙烯-三氟-乙烯)共聚物的電致伸縮-接枝彈性體。這種組合能夠生產(chǎn)不同量的鐵電性-電致伸縮分子復(fù)合系統(tǒng)。這些可作為壓電傳感器或甚至電致伸縮致動器而運(yùn)轉(zhuǎn)。
適于用作電活性聚合物的材料可包括任何基本上絕緣的聚合物或橡膠(或其組合)，其根據(jù)靜電力變形或其變形產(chǎn)生電場的變化。適于用作預(yù)加應(yīng)變的聚合物的示范性材料包括硅氧烷彈性體、丙烯酸系彈性體、聚氨酯、熱塑性彈性體、包括PVDF的共聚物、壓敏粘合劑、含氟彈性體、包括硅氧烷和丙烯酸部分的聚合物等。包括硅氧烷和丙烯酸部分的聚合物可包括例如，包括硅氧烷和丙烯酸部分的共聚物、包括硅氧烷彈性體和丙烯酸系彈性體的共混聚合物。
用作電活性聚合物的材料可基于一種或多種材料性質(zhì)選擇，如高電擊穿強(qiáng)度、低彈性模數(shù)(對于或大或小的變形)、高介電常數(shù)等。在一個實(shí)施方案中，選擇聚合物使得其彈性模量至多大約100MPa。在另一個實(shí)施方案中，選擇聚合物使得其最大致動壓力為約0.05MPa-約10MPa、優(yōu)選約0.3MPa-約3MPa。在另一個實(shí)施方案中，挑選聚合物使得其介電常數(shù)為約2-約20、優(yōu)選約2.5-約12。本發(fā)明不意欲受限于這些范圍。理想地，具有比上述給定范圍更高介電常數(shù)的材料將是所希望的，如果該材料兼?zhèn)涓呓殡姵?shù)和高介電強(qiáng)度的話。在很多情況下，電活性聚合物可以以薄膜形式制造和實(shí)現(xiàn)。適用于這些薄膜的厚度可低于50微米。
因?yàn)殡娀钚跃酆衔锟稍诟邞?yīng)變下?lián)锨?，連接到該聚合物的電極也應(yīng)該撓曲而不損害機(jī)械或電氣性能。通常，適于使用的電極可以是任何形狀和材料，條件是它們能向電活性聚合物提供合適的電壓，或從電活性聚合物接受合適的電壓。該電壓可以是恒定的或者隨時(shí)間變化。在一個實(shí)施方案中，該電極粘附于聚合物的表面。粘附于該聚合物的電極優(yōu)選是屈從的并且順應(yīng)聚合物變化的形狀。相應(yīng)地，本發(fā)明可包括屈從電極，其順應(yīng)其所連接到的電活性聚合物的形狀。電極可僅被施加于電活性聚合物的一部分并且根據(jù)其幾何形狀限定活性區(qū)域。適于于本發(fā)明使用的各類電極包括結(jié)構(gòu)化電極(structured electrode)，其包括金屬痕量和電荷分布層；紋理化電極(textured electrode)，其包括超出平面變化的尺寸、傳導(dǎo)性油脂如碳油脂或銀油脂、膠懸體、高縱橫比傳導(dǎo)性材料如碳原纖和碳納米管、和離子傳導(dǎo)性材料的混合物。
用于本發(fā)明電極的材料可以不同。用于電極的合適的材料可以包括石墨、炭黑、膠懸體、包括銀和金的薄金屬、銀填充和碳填充的凝膠和聚合物、和離子或電子導(dǎo)電聚合物。當(dāng)然某些電極材料可與特定聚合物適用，但未必適用于其它聚合物。舉例來說，碳原纖與丙烯酸系彈性體聚合物適用，然而不適用于硅氧烷聚合物。
活性材料也可包含壓電材料。此外，在某些實(shí)施方案中，壓電材料可作為致動器裝配，以提供快速展開。如本文中所用的，術(shù)語“壓電”用來描述一種材料，當(dāng)施加電壓電勢時(shí)，其機(jī)械地變形(改變形狀)，或相反地，當(dāng)機(jī)械地變形時(shí)，其產(chǎn)生電荷。優(yōu)選地，壓電材料被置于柔性金屬或陶器薄板的條帶上。該條帶可以是單壓電晶片(unimor ph)或雙壓電晶片。優(yōu)選地，該條帶是雙壓電晶片，因?yàn)殡p壓電晶片通常比單壓電晶片顯示更大的位移。
一種類型的單壓電晶片是由外部粘合到柔性金屬箔或條帶的單個壓電元件組成的結(jié)構(gòu)，由壓電元件當(dāng)用變化的電壓激活時(shí)，其被刺激，并且由于其對抗壓電元件的運(yùn)動而導(dǎo)致軸向的翹曲或撓曲。單壓電晶片的致動器運(yùn)動可以通過收縮或膨脹進(jìn)行。單壓電晶片可以顯示高達(dá)約10％的應(yīng)變，但通常僅能承受相對于單壓電晶片結(jié)構(gòu)的總尺寸的低負(fù)荷。一種預(yù)加應(yīng)力的單壓電晶片的工業(yè)實(shí)例被稱為“THUNDER”，其是以下單詞的縮寫薄層復(fù)合單壓電晶片鐵電性驅(qū)動器和傳感器(THin layercomposite UNimorph ferroelectric Driver and sEnsoR)。THUNDER是由壓電陶瓷層(例如，鋯鈦酸鉛)構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，鋯鈦酸鉛電鍍在壓電陶瓷層的兩個主面上。在至少陶器層的一個側(cè)面上，通過粘合劑層將金屬預(yù)加應(yīng)力層粘附于電鍍表面上(例如，“LaRC-SI”，由國家航空和航天局(NASA)開發(fā))。在制造THUNDER致動器期間，陶器層、粘合劑層和第一預(yù)加應(yīng)力層同時(shí)被加熱到高于粘合劑熔點(diǎn)的溫度，然后隨后使其冷卻，從而使粘合劑層再凝固和固化。由于金屬預(yù)加應(yīng)力層和粘合劑層比陶器層的熱收縮系數(shù)更高，在冷卻過程期間該陶器層應(yīng)力變形。此外，層壓板材料比陶器層的熱收縮率更大，該陶器層變形為通常具有凹面的弓形形狀。
與單壓電晶片壓電設(shè)備相反，雙壓電晶片設(shè)備包括夾在兩個壓電元件之間的中間柔性金屬箔。雙壓電晶片顯示比單壓電晶片更大的位移，因?yàn)樵谒┘拥碾妷合拢粋€陶器元件會收縮而另一個膨脹。雙壓電晶片可以顯示高達(dá)約20％的應(yīng)變，但類似于單壓電晶片，通常不能承受相對于單壓電晶片結(jié)構(gòu)的總尺寸的高負(fù)荷。
合適的壓電材料包括無機(jī)化合物、有機(jī)化合物和金屬。對于有機(jī)材料而言，具有非中心對稱結(jié)構(gòu)和在分子的主鏈或側(cè)鏈或既在主鏈又在側(cè)鏈中具有大偶極矩基團(tuán)的所有聚合物材料都可被用作壓電薄膜的選擇物。合適的聚合物的實(shí)例包括，例如，但不局限于，聚(4-苯乙烯磺酸鈉)(“PSS”)、聚S-119(聚(乙烯胺)主鏈偶氮生色團(tuán))，和其衍生物；多氟烴，包括聚偏1，1-二氟乙烯(“PVDF”)，其共聚合物1，1-二氟乙烯(“VDF”)，三氟乙烯(TrFE)，和其衍生物；多氯烴，包括聚(氯乙烯)(“PVC”)、聚偏1，1-二氯乙烯(“PVC2”)，和其衍生物；聚丙烯腈(“PAN”)，和其衍生物；聚羧酸類，包括聚(甲基丙烯酸(“PMA”)，和其衍生物；聚脲，和其衍生物；聚氨酯(“PUE”)，和其衍生物；生物高分子如聚-L-乳酸類和其衍生物，和膜蛋白質(zhì)，以及磷酸鹽生物分子；聚苯胺和其衍生物，和全部四胺衍生物；聚酰亞胺，包括Kapton分子和聚醚酰亞胺(“PEI”)，和其衍生物；全部膜聚合物；聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(“PVP”)均聚物，和其衍生物，和無規(guī)PVP-共乙酸乙烯酯(“PVAc”)共聚物；和全部在主鏈或側(cè)鏈或既在主鏈又在側(cè)鏈中具有偶極矩基團(tuán)的芳香族聚合物，和其混合物。
進(jìn)一步地，壓電材料可包括Pt、Pd、Ni、Ti、Cr、Fe、Ag、Au、Cu，和其金屬合金和混合物。這些壓電材料還可以包括，例如，金屬氧化物如SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、SrTiO3、PbTiO3、BaTiO3、FeO3、Fe3O4、ZnO和其混合物；VIA和IIB族化合物，如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe2、ZnSe、GaP、InP、ZnS和其混合物。
合適的活性材料還包含磁流變(MR)組合物，如MR彈性體，其被稱為“靈巧”材料，當(dāng)施加磁場時(shí)，其流變性可迅速改變。MR彈性體是微米尺寸的可磁性極化的粒子在熱固性彈性聚合物或橡膠中的懸浮體。通過變化所施加磁場的強(qiáng)度，由改變剪切和抗壓/張力模量而實(shí)現(xiàn)該彈性體結(jié)構(gòu)的剛性。當(dāng)暴露于磁場僅僅幾毫秒時(shí)，MR彈性體一般地形成結(jié)構(gòu)。中斷MR彈性體曝光于該磁場而使該過程逆轉(zhuǎn)，該彈性體返回到其較低模量狀態(tài)。
氣流控制設(shè)備10，在圖1中所示，可包含一種或多種上述活性材料16，其作為涂層、層和/或段如條帶被施加到主體12的至少一個表面13、14和/或15。在一個實(shí)施方案中，不同的活性材料被施加于表面13、14、15，其中不同的活性材料16相互接近地被施加。在另一個實(shí)施方案中，活性材料16可以包含不同的形狀記憶材料的復(fù)合物。在任一實(shí)施方案中，活性材料16提供具有形狀改變能力的氣流設(shè)備10，所述形狀改變能力可活動地針對特殊的應(yīng)用而調(diào)節(jié)，如將更詳細(xì)地被描述。
連接到氣流設(shè)備10并且與其有效連通的激活設(shè)備18。激活設(shè)備18與氣流設(shè)備10和/或活性材料16功能連通，其是可操作的以選擇性地向氣流控制設(shè)備10提供激活信號并且通過改變活性材料16至少一種屬性來改變氣流設(shè)備10的特征。例如，就底流氣流設(shè)備來說，活性材料16可使氣流設(shè)備10收起或延展，這取決于交通工具的速度。激活設(shè)備18，當(dāng)需要時(shí)，向氣流設(shè)備10的活性材料16提供激活信號或刺激以引起至少一部分設(shè)備10的一個或多個特征的改變。在一個實(shí)施方案中，特征的改變通常保持在所施加激活信號的一段時(shí)間。當(dāng)激活信號中斷時(shí)，活性材料16通常復(fù)原到無動力的形式并且基本上返回到初始至少一種屬性，因此使氣流設(shè)備10復(fù)原到初始一個和/或多個特征。在另一個實(shí)施方案中，當(dāng)激活信號中斷時(shí)，活性材料16的一個或多個屬性和/或設(shè)備10的至少一部分特征的變化可以保持。在這種實(shí)施方案中，設(shè)備10包括一種保持活性材料16變化的裝置，如閂、鎖、制動器和/或類似物。當(dāng)釋放該裝置時(shí)，設(shè)備10復(fù)原到初始至少一個特征。所舉例說明的設(shè)備10僅僅是示范性的而不意欲受限于任何特定的形狀、大小、尺寸、或結(jié)構(gòu)、材料等。
在另一個實(shí)施方案中，氣流設(shè)備10包括至少一個與氣流控制設(shè)備10和/或活性材料16有效連通的傳感器26，其中該傳感器適合于傳遞指示至少一個交通工具狀況的信號。這種實(shí)施方案可以進(jìn)一步地包含控制器24，其有效連接到傳感器26和激活設(shè)備18，其中控制器經(jīng)程序化的并且被配置以使得當(dāng)傳感器26信號指示預(yù)定的交通工具狀況時(shí)，激活設(shè)備18向活性材料16提供激活信號。
本發(fā)明不意欲受限于任何特定的激活信號。特定的激活信號將取決于活性材料16的敏感性。同樣地，激活信號可以提供熱激活信號、磁激活信號、電激活信號、化學(xué)激活信號和/或其他相似的激活信號或激活信號的組合。
如圖2a和2b所示，參考數(shù)字20所指的氣流控制設(shè)備的透視圖，氣流設(shè)備20可以包含一個或多個控制氣流的表面13、14、15。在一個實(shí)施方案中，氣流設(shè)備20的主體12可由合適的活性材料16組成。在另一個實(shí)施方案中，主體12可以包含活性材料16或其他適合的組合物，其具有一個或多個包括一種或多種活性材料16的表面13、14、15。在這個如圖2a所示的設(shè)備20中的活性材料16，在室溫下可具有基本上直線形狀，并且如圖2b所示，當(dāng)加熱超過一定溫度范圍時(shí)，為彎曲形狀(即曲線形狀)，所述溫度范圍可通常在交通工具運(yùn)轉(zhuǎn)期間遇到。從這方面看，氣流設(shè)備20可以控制氣流，同時(shí)保持足夠的離地距離以避免與道路危險(xiǎn)物和惡劣天氣殘余物接觸和受到損壞。在這種實(shí)施方案中，優(yōu)選地選擇對熱激活敏感的活性材料。
如所示，一種更大的線22被嵌入設(shè)備20的活性材料16中以提供電阻加熱形式的熱激活裝置。在另外的實(shí)施方案中，在低駕駛速度下，控制裝置如控制器24和/或傳感器26可以使電流流過嵌入的線22，引起活性材料16向上彎曲，呈現(xiàn)受訓(xùn)的較高溫度的形狀。這可以導(dǎo)致氣流控制設(shè)備20的上升而在這種情況下增加交通工具離地距離。進(jìn)一步地，當(dāng)在預(yù)定速度之上駕駛時(shí)，控制器24可以中斷電流而使得氣流控制設(shè)備20冷卻，因此變直和展開。在另一個實(shí)施方案中，特征方面的改變可被逆轉(zhuǎn)，使得在較高交通工具速度下，可使用加熱以獲得高溫形狀，而電流將在較低交通工具速度下被中斷以獲得低溫形狀。在另一個實(shí)施方案中，當(dāng)激活信號中斷時(shí)，活性材料16的一種或多種屬性和/或設(shè)備10的特征的變化可以保持。在這種實(shí)施方案中，設(shè)備10包括一種保持活性材料16變化的裝置，如閂、鎖、制動器和/或類似物。當(dāng)釋放該裝置以保持活性材料16的變化時(shí)，設(shè)備10復(fù)原到初始至少一個特征。如此，設(shè)備20可以根據(jù)激活信號向上彎曲，保持向上彎曲直到釋放該裝置，此時(shí)，設(shè)備20將復(fù)原和變直。進(jìn)一步地，如在壓緊期間變形了的氣流控制設(shè)備20可以通過施加適當(dāng)?shù)臏囟确秶謴?fù)或復(fù)原到期望的形狀。包括主體12和/或活性材料16的材料的選擇將由期望的應(yīng)用來確定。此外，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，選擇鎖裝置是適宜的。
如圖3a和3b所示，顯示了參考數(shù)字30所指的氣流控制設(shè)備的透視圖，其具有活性材料16的條帶和/或段。在圖3a中，設(shè)備30包括嵌在一個或多個主體12的表面13、14、15上的活性材料16的條帶和/或段。在另外的視圖中，圖3b所示，活性材料16的條帶和/或段嵌在設(shè)備30的主體12內(nèi)。在這種實(shí)施方案中，主體12包括具有活性材料16條帶的柔性基質(zhì)材料，優(yōu)選地但不是必須的，每隔一定間隔鑲嵌?；钚圆牧?6的位置不局限于任何特定的結(jié)構(gòu)或圖案并且將由設(shè)備30期望的應(yīng)用而確定。在一個實(shí)施方案中，如在SMA條帶中，活性材料16在奧氏體相中具有受訓(xùn)的彎曲形狀，未在該視圖中顯示。在靜止或低交通工具速度下，活性材料16如通過電阻加熱可被激活，其可使活性材料16彎曲，在這種情況下使氣流控制設(shè)備30向上彎曲并超出外部氣流。形狀的變化可由激活設(shè)備18、控制器24和/或傳感器26所傳遞的激活信號引發(fā)。
對于SMA，由于相變，奧氏體相中的剛性將大于馬氏體相中的剛性。所嵌活性材料條帶的數(shù)量和大小可以選擇使得當(dāng)在奧氏體相中時(shí)，所嵌活性材料16使氣流控制設(shè)備30的本體變形。然而，當(dāng)活性材料16在馬氏體相中時(shí)，包括氣流控制設(shè)備30本體的柔性材料是足夠剛性的以使設(shè)備30返回到直線、展開結(jié)構(gòu)，在這種情況下使活性材料16變直。在超過預(yù)定交通工具速度的較高速度時(shí)，電流引起的電阻加熱可被停止，使得活性材料16返回到馬氏體相。如此，氣流控制設(shè)備30復(fù)原到變直展開的狀態(tài)。如前所述，由于通過將活性材料16加熱到奧氏體相溫度而使活性材料16的條帶塑性變形，氣流控制設(shè)備30可被恢復(fù)，如果變形是由于力如壓緊作用的話。考慮到本公開內(nèi)容，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的，使用合適的特別針對所選活性材料的激活信號，如上所述的其它活性材料可以按類似方式被激活。
在另外的圖4所示實(shí)施方案中，氣流控制設(shè)備40的透視圖包括螺旋彈簧形狀的活性材料16，其被置于功能運(yùn)轉(zhuǎn)方式至氣流控制設(shè)備40的主體12。在這種實(shí)施方案中，活性材料16可被直接或者間接外部連接到氣流控制設(shè)備40的表面13、14、15上。如圖4所示，主體12的表面13與管42結(jié)合，以這種方式，管42自由地繞其軸旋轉(zhuǎn)。彈簧機(jī)構(gòu)44和活性材料16兩個都連接到管42，是以一種對抗方式的，使得其各自的張力相互平衡。如此，管42通過外部裝置的旋轉(zhuǎn)可以增加一方面的張力同時(shí)減少其它方面的張力。在低交通工具速度(即小于預(yù)定速度)時(shí)，彈簧機(jī)構(gòu)44中的張力與剛性減小和未受熱的活性材料16更長的長度的結(jié)合導(dǎo)致氣流控制設(shè)備40旋轉(zhuǎn)超出氣流。在較高速度(即大于預(yù)定速度)時(shí)，通過電阻加熱，活性材料16的溫度上升，在活性材料16中產(chǎn)生從馬氏體相到奧氏體相的相變。由活性材料16組成的線優(yōu)選地顯示高達(dá)約4％的長度減小和剛性性能高達(dá)3倍的增加。如此，長度減小和剛性性能增加的結(jié)合可導(dǎo)致氣流控制設(shè)備40的展開，例如，如管42旋轉(zhuǎn)并且平衡彈簧機(jī)構(gòu)44伸展。當(dāng)中斷電阻加熱時(shí)，活性材料16冷卻到馬氏體相而伸展的彈簧機(jī)構(gòu)44可用于使氣流控制設(shè)備40返回到收藏位置。在另一個實(shí)施方案中，當(dāng)激活信號中斷時(shí)，活性材料16的一種或多種屬性和/或設(shè)備10的特征的變化可以保持。在這種實(shí)施方案中，設(shè)備10包括一種保持活性材料16變化的裝置，如閂、鎖、制動器和/或類似物。當(dāng)釋放該裝置以保持活性材料16的變化時(shí)，設(shè)備10復(fù)原到初始至少一個特征。如前所述，激活設(shè)備18、控制器24和/或傳感器26可以互相以及和氣流控制設(shè)備40作用以引發(fā)活性材料16的至少一種屬性的變化。
在如圖5-7所示的其他實(shí)施方案中，氣流設(shè)備50、60、66使用片狀垂懸物旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以改變氣流。在圖5中，氣流控制器50通常包括由連接到管(即芯軸)54的表面13、14和15限定的片狀垂懸物52，其中管54可旋轉(zhuǎn)地連接到活性材料16，其以線例如形狀記憶合金的形式示出。線16的一端固定連接到管54，而另一端固定連接到交通工具內(nèi)部的固定且堅(jiān)硬的支承結(jié)構(gòu)56。通過足夠的電流或向線16施加熱來引起相變使得片狀垂懸物進(jìn)行運(yùn)動。取決于線的連接結(jié)構(gòu)，氣流控制器50可被配置以在無動力的和有動力的狀態(tài)中提供不同的撓曲。例如，激活活性材料16可使片狀垂懸物從放下位置(即垂直于地面)旋轉(zhuǎn)到凹槽位置(約與地面平行)?；蛘?，活性材料可在無動力的狀態(tài)中處于凹槽位置，而在有動力狀態(tài)中處于放下位置。彈簧，未示出，可被使用作為與設(shè)備50結(jié)合的平衡，將片狀垂懸物返回到其原始位置。優(yōu)選地匹配平衡彈簧強(qiáng)度以配合例如應(yīng)力所要求的活性材料基線16的橫截面區(qū)域，使在冷卻期間形狀記憶合金材料成對?；蛘?，可使用一種或多種由SMA形成的反對抗彈簧或線。
如圖6所示，氣流控制設(shè)備60包括由合適的活性材料16形成的扭轉(zhuǎn)彈簧62。該扭轉(zhuǎn)彈簧優(yōu)選地配置在管54的末端內(nèi)。在這種實(shí)施方案中，管54優(yōu)選地是中空的以容納該扭轉(zhuǎn)彈簧62。扭轉(zhuǎn)彈簧62可以是螺旋形或螺線形狀，其激活引起與剪切應(yīng)力對抗的彈簧中的彎曲應(yīng)力。同樣地，激活活性材料16引起片狀垂懸物52(由表面13、14和15限定)繞由管54限定的軸旋轉(zhuǎn)。
在圖7中，氣流設(shè)備66包括由活性材料形成的螺旋彈簧68以使片狀垂懸物旋轉(zhuǎn)。
在另一個如圖8所示的實(shí)施方案中，氣流控制設(shè)備70可被配置以使用沖擊流場并且提供用于片狀垂懸物展開的輔助機(jī)構(gòu)。一個或多個由活性材料16形成的接頭片74在大約片狀垂懸物的頂部(所示通常在72處)被可繞軸轉(zhuǎn)動且活動地連接，其活動地將片狀垂懸物72的一部分置入引入的氣流物流中。即，接頭片的激活使得該接頭片推動片狀垂懸物遠(yuǎn)離堅(jiān)硬的支承結(jié)構(gòu)76。如通常由箭頭78顯示的氣流物流然后以一定的力沖擊在片狀垂懸物72的表面上而有效地增加片狀垂懸物向下的展開?？墒褂闷胶鈴椈?未示)以使片狀垂懸物返回到其原始位置并且可以被設(shè)計(jì)使得在指定的流體物流速度下片狀垂懸物62將返回到原始位置?；钚圆牧辖M分16可以由許多不同的材料組成。接頭片可由多種靈巧材料構(gòu)成，例如但不意欲受限于，壓電雙壓電晶片、在高溫下訓(xùn)練成彎曲形狀的SMA條帶、或電活性聚合物雙壓電晶片如離子聚合物復(fù)合物(IMPC)，這是因?yàn)樗栉灰频牧渴怯行б饸饬鳑_擊在片狀垂懸物上的量。各個這些任選物可產(chǎn)生所需的撓曲以推動片狀垂懸物72進(jìn)入氣流場78并且開始展開。
在另一個如圖9所示的實(shí)施方案中，氣流控制設(shè)備80包括由活性材料基部分和非活性材料基部分84形成的片狀垂懸物82。活性材料基部分的激活使得改變形狀取向如彎曲，其隨后引起活性材料基部分84的位移。通過遠(yuǎn)離非活性材料的中心軸放置線和/或帶而引起位移即彎曲，這當(dāng)激活，例如，SMA收縮時(shí)引起非活性材料的彎曲。同樣地，該線和/或帶可置于非活性材料的表面上和/或嵌入在其中使得活性材料的激活引起期望的位移量。通過保持一端固定(優(yōu)選地，活性基材料部分連接到交通工具結(jié)構(gòu)上)，活性基材料部分82的彎曲變化引起與流動垂直的表面區(qū)域的變化并且相對于定點(diǎn)(例如交通工具結(jié)構(gòu))使表面旋轉(zhuǎn)?；蛘?，部分82可由彈性材料形成，其具有一個或多個連接到此的線和/或帶86，其中該線和/或帶是由活性材料形成的。線和/或帶86被裝配，使得激活引起部分82的彎曲變化，導(dǎo)致非活性材料基部分84的撓曲。
在任一實(shí)施方案中，氣流控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)可被稱作片狀垂懸物表面的一部分變形或者變體，使得相對于引入的氣流改變表面的垂直區(qū)域和取向。這種垂直面和取向的變化可以使氣流發(fā)生變化，使得使得設(shè)備80區(qū)域中的氣流轉(zhuǎn)移、通過或者得到阻擋。這種設(shè)備可用于許多汽車應(yīng)用以控制氣流。如上所述，某些潛在的應(yīng)用包括前擾流板、擾流器和通風(fēng)窗。應(yīng)該注意到尺度是可調(diào)整的使得使用相同的實(shí)施方案以及本領(lǐng)域技術(shù)人員所能認(rèn)知的略微改變，可以產(chǎn)生較小尺度的設(shè)備如用于氣候控制的內(nèi)部通風(fēng)窗和較大表面的如前擾流板。
現(xiàn)在參考圖10，氣流控制設(shè)備90包括由多個層92、94形成的片狀垂懸物。層94由活性材料16形成，并且被置于至少一個層92上，其中一個在圖中顯示。層92是彈性的使得當(dāng)層94激活時(shí)，層92改變其形狀取向。任選地，如所示包括柔性間隔層96。可使用間隔層96來基于活性材料的特征使性能最優(yōu)化。
公開了一種控制交通工具氣流的方法。在這種實(shí)施方案中，該方法首先包括放置前述實(shí)施方案中任一項(xiàng)的或組合的氣流控制設(shè)備，例如設(shè)備10、20、30、40、50、60、66、70、80、90，以便在交通工具運(yùn)動期間提供接觸中的氣流，該氣流控制設(shè)備包括主體和與該主體有效連通的活性材料，其中該活性材料根據(jù)激活信號有效改變至少一種屬性。一旦被放置，將激活信號選擇性地引入活性材料。通過選擇性地引入激活信號，改變了該活性材料的至少一個屬性。在另一個實(shí)施方案中，該方法包括中斷激活信號以逆轉(zhuǎn)活性材料的至少一種屬性的變化。在另外的實(shí)施方案中，該方法包括當(dāng)中斷激活信號時(shí)，保持該活性材料的至少一種屬性的變化。
如前所述，可根據(jù)激活信號經(jīng)歷形狀變化的合適的形狀記憶材料包括形狀記憶合金組合物。形狀記憶合金存在于若干不同的隨溫度而變的相中。最通常使用的這些相是上述所謂的馬氏體和奧氏體相。在以下討論中，馬氏體相泛指更可變形的、更低溫度的相，而奧氏體相泛指更堅(jiān)硬的、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)的溫度常常稱為奧氏體起點(diǎn)溫度(As)。這種現(xiàn)象完成時(shí)的溫度稱作奧氏體終點(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)是較軟的并且可更容易變形，而在奧氏體相時(shí)，是更硬的、更剛性的和/或更堅(jiān)硬的。鑒于以上所述，與形狀記憶合金一起使用的合適的激活信號是一種熱激活信號，其具有一定規(guī)模而引起在馬氏體和奧氏體相之間的轉(zhuǎn)變。
形狀記憶合金可顯示單向形狀記憶效應(yīng)、固有的雙向效應(yīng)、或外在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一般地僅僅顯示單向形狀記憶效應(yīng)。在形狀記憶材料低溫變形之后的充足加熱將誘發(fā)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。包括顯示單向記憶效應(yīng)的形狀記憶合金組合物的活性材料不自動地還原，并且可能會需要外部機(jī)械力以還原成預(yù)先適于氣流控制的形狀。
固有的和外在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。顯示固有的形狀記憶效應(yīng)的活性材料16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16本身自動還原。固有的雙向形狀記憶性能必須通過加工在形狀記憶材料中誘發(fā)。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、磨光或噴丸處理。一旦材料已被訓(xùn)練而顯示雙向形狀記憶效應(yīng)時(shí)，低溫和高溫狀態(tài)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，顯示外在的雙向形狀記憶效應(yīng)的活性材料16是將顯示單向效應(yīng)的形狀記憶合金組合物與提供回復(fù)力以還原初始形狀的另一種元素結(jié)合的復(fù)合物或多組分材料。
當(dāng)加熱時(shí)形狀記憶合金記憶其高溫形態(tài)時(shí)的溫度可通過合金組成的輕微改變和通過熱處理而被調(diào)節(jié)。例如，在鎳-鈦形狀記憶合金中，它可從高于約100℃至低于約-100℃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，一般為氣流控制設(shè)備提供形狀記憶效應(yīng)，超彈性效應(yīng)和強(qiáng)阻尼容量。
另一合適種類的形狀記憶材料是SMP。大多數(shù)SMP顯示“單向”效應(yīng)，其中SMP顯示一種永久性形狀。當(dāng)加熱SMP超過第一轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，獲得永久性形狀并且不使用外力的話，形狀不會復(fù)原到暫時(shí)性形狀。例如，對于顯示激活和未激活狀態(tài)剛性差異的活性材料16，在氣流控制設(shè)備10、20、30、40激活期間能量可彈性地存儲。同樣地，能量可以任何適于氣流控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的方式存儲，包括但不限于，在設(shè)備的主體內(nèi)和/或在如彈簧的彈性組件(其運(yùn)轉(zhuǎn)而內(nèi)和/或外連到設(shè)備)中。如此，所存儲的能量可以用來，如本文中所討論的，當(dāng)中斷激活信號和/或釋放裝置如閂、鎖、制動器和/或類似物時(shí)，使設(shè)備復(fù)原到至少如形狀、尺寸、剛性、位置和/或取向等特征的初始狀態(tài)。在另一個實(shí)施例中，一個以上的顯示激活和未激活狀態(tài)剛性差異的活性材料16被定向從而對抗了各個材料產(chǎn)生的至少一種屬性的變化。同樣地，一個或多個對抗的活性材料16可選擇性地被激活而不激活其它對抗的活性材料16。如此，選擇性被激活的活性材料16的至少一個屬性的變化可通過鈍化該激活的活性材料16并且選擇性地激活其他對抗的活性材料16而逆轉(zhuǎn)。上述實(shí)施例是說明性的而不限制本發(fā)明的實(shí)施方案。
作為備選的，可以制備具有“雙向”效應(yīng)的某些形狀記憶聚合物組合物。這些系統(tǒng)由至少兩個聚合物組分組成。例如，一個組分可以是第一交聯(lián)聚合物而另一個組分是不同的交聯(lián)聚合物。這些組分可通過分層技術(shù)結(jié)合，或者是互穿網(wǎng)絡(luò)，其中兩個組分是交聯(lián)的，但不是相互交聯(lián)的。通過改變溫度，形狀記憶聚合物沿第一永久性形狀或第二永久性形狀方向改變其形狀。各個永久性形狀屬于形狀記憶聚合物的一個組分。兩個永久性形狀在兩個形狀間總是平衡的。形狀的溫度依賴性由以下事實(shí)造成一個組分(“組分A”)的機(jī)械性能幾乎與所關(guān)心的溫度范圍內(nèi)的溫度無關(guān)。另一個組分(“組分B”)的機(jī)械性能取決于溫度。在一個實(shí)施方案中，組分B與組分A相比，在低溫變得更強(qiáng)，而組分A在高溫變得更強(qiáng)并且確定了實(shí)際形狀。雙向存儲器件可以通過以下步驟制備固化組分A的永久性形狀(“第一永久性形狀”)；使設(shè)備變形為組分B的永久性形狀(“第二永久性形狀”)；和使組分B的永久性形狀固定同時(shí)向該組分施加應(yīng)力。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，活性材料16的永久性形狀是基本上變直的形狀并且活性材料16的暫時(shí)性形狀是彎曲形狀(參見圖2a-2b)。在另一個實(shí)施方案中，形狀記憶聚合物包括兩種永久性形狀。在第一永久性形狀中，活性材料16是基本上變直的形狀，并且在第二永久性形狀中，活性材料16是彎曲形狀。
永久性形狀復(fù)原所需的溫度可以被設(shè)置在約-63℃至約120℃或以上的任何溫度。加工該組合物和聚合物結(jié)構(gòu)本身可以使得對于期望的應(yīng)用選擇特定的溫度。對于形狀復(fù)原優(yōu)選的溫度是大于或等于約-30℃，更優(yōu)選地大于或等于約0℃，最優(yōu)選溫度大于或等于約50℃。此外，對于形狀復(fù)原優(yōu)選的溫度是小于或等于約120℃，并且最優(yōu)選小于或等于約120℃并且大于或等于約80℃。
正如前面提到的和限定的，活性材料16也可包含電活性聚合物如離子型聚合物金屬復(fù)合物，和導(dǎo)電聚合物?；钚圆牧?6也可包含壓電材料。優(yōu)選地，壓電材料被置于柔性金屬板的條帶上。該條帶可以是單壓電晶片或雙壓電晶片。優(yōu)選地，該條帶是雙壓電晶片，因?yàn)殡p壓電晶片通常比單壓電晶片顯示更大的位移。
使用壓電材料將可能需要一種電信號以產(chǎn)生彎曲形狀。當(dāng)中斷激活信號時(shí)，該活性材料變直。
活性材料此外包括但不局限于形狀記憶材料如磁性材料和磁流變彈性體。
合適的磁性材料包括但不意欲限于軟或硬磁鐵；赤鐵礦；磁鐵礦；基于鐵、鎳和鈷、上述合金、或包括上述中至少一種的組合等的磁性材料。鐵、鎳和/或鈷的合金可以包含鋁、硅、鈷、鎳、釩、鉬、鉻、鎢、錳和/或銅。合適的MR彈性體材料在前面已經(jīng)描述過。
通過改變活性材料16的至少一個屬性以匹配不同行車狀況的需要，本發(fā)明的氣流控制設(shè)備和方法能調(diào)節(jié)特征如形狀、尺寸、剛性、位置、其組合等?；钚圆牧?6的至少一個屬性的變化包括形狀、尺寸、剛性、其組合等。利用活性材料16而影響這些變化提供了具有增加的簡單性和堅(jiān)固性的設(shè)備，同時(shí)減少了故障模式的數(shù)目、設(shè)備體積和由于更高的能量密度造成的激活所需的能量。
除非另外指出，在說明書和權(quán)利要求中使用的表示成分、性能如分子量、反應(yīng)條件等的全部數(shù)字將被理解為在一切情況下由術(shù)語“約”來修飾。因此，除非相反地指出，在以下說明書和所附權(quán)利要求中所述的數(shù)值參數(shù)是可以變化的近似值，這取決于設(shè)法由本發(fā)明獲得的期望的性能。至少，如未企圖使等價(jià)理論的應(yīng)用限制權(quán)利要求的范圍，各數(shù)值參數(shù)應(yīng)該至少按照所報(bào)道的有效數(shù)字并且通過普通的取舍技術(shù)來進(jìn)行理解。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參考示范性實(shí)施方案進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是可以進(jìn)行各種變化并且在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可以用等價(jià)物代替其元素。此外，可進(jìn)行許多變型以按照本發(fā)明的教導(dǎo)在不偏離其本質(zhì)范圍的條件下來適應(yīng)特定情況或材料。因此，希望本發(fā)明不限于如實(shí)施本發(fā)明所預(yù)期的最佳方式所公開的特定的實(shí)施方案，但是本發(fā)明將包括屬于所附權(quán)利要求范圍的全部實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種用于交通工具的空氣導(dǎo)流器，其包括具有至少一個表面的主體部分，和與該主體部分的至少一個表面有效連通的活性材料，該活性材料根據(jù)激活信號有效改變至少一種屬性，其中跨越該空氣導(dǎo)流器的氣流隨著該活性材料至少一種屬性的變化而改變。
2.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中所述主體部分包括活性材料。
3.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該活性材料包括形狀記憶材料。
4.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該活性材料包括形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、電活性聚合物、磁流變彈性體、壓電材料或包括上述材料中的至少一種的組合。
5.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該活性材料被施加于該主體的至少一個表面。
6.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該活性材料包括多個嵌入至少一個表面的活性材料的條帶和/或線。
7.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該活性材料包括多個嵌在主體部分內(nèi)的活性材料的條帶和/或線。
8.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該活性材料根據(jù)激活信號改變至少一個屬性。
9.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該活性材料根據(jù)激活信號從基本上直線形狀變化到曲線形狀。
10.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該激活信號包括熱激活信號、磁激活信號、電激活信號、化學(xué)激活信號或包括上述信號中的至少一種的組合。
11.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其進(jìn)一步地包括適合于向空氣導(dǎo)流器提供激活信號的激活設(shè)備。
12.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，進(jìn)一步地包括至少一個傳感器和與活性材料有效連通的控制器。
13.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該設(shè)備包括交通工具前擾流板；翼板外接板；側(cè)裙板槽；駕駛室；后擾流器和后擋板擾流器；用于通過散熱器、其他換熱器、發(fā)動機(jī)艙在傳動系和傳動裝置上控制氣流的通風(fēng)窗；和用于頂板蓋、活動頂篷、通風(fēng)窗口的空氣導(dǎo)流器和導(dǎo)風(fēng)板。
14.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該激活信號由交通工具的預(yù)定速度觸發(fā)，其中當(dāng)交通工具速度超過預(yù)定速度時(shí)，該活性材料變化至少一種屬性，和其中當(dāng)交通工具速度低于預(yù)定速度時(shí)，活性材料返回到該至少一種屬性的初始狀態(tài)。
15.權(quán)利要求1的空氣導(dǎo)流器，其中該交通工具包括汽車、公路上的牽引車、船、摩托車、飛機(jī)、雪橇或太空船。
16.一種交通工具氣流控制系統(tǒng)，其包括交通工具的固定表面；和固定連接到該固定表面的空氣導(dǎo)流器，該空氣導(dǎo)流器包括具有至少一個表面的空氣偏轉(zhuǎn)主體，與該空氣偏轉(zhuǎn)主體的至少一個表面有效連通的活性材料，該活性材料根據(jù)激活信號有效改變空氣偏轉(zhuǎn)主體的至少一個特征，以及與所述活性材料功能連通的激活設(shè)備，該激活設(shè)備是可操作的以選擇性地提供該激活信號，所述激活信號引發(fā)該活性材料的至少一種屬性的變化，其中該活性材料的至少一種屬性的變化改變該空氣偏轉(zhuǎn)主體的特征。
17.權(quán)利要求16的交通工具氣流控制系統(tǒng)，其進(jìn)一步地包括與空氣導(dǎo)流器有效連通的傳感器，其中該傳感器適合于傳遞指示至少一個交通工具狀況的傳感器信號；和有效連接到傳感器和激活設(shè)備的控制器，其中控制器經(jīng)程序化并且被配置以使得當(dāng)傳感器信號指示預(yù)定的交通工具狀況時(shí)使激活設(shè)備向活性材料提供激活信號。
18.權(quán)利要求16的交通工具氣流控制系統(tǒng)，其中該空氣導(dǎo)流器形成前擾流板、翼板外接板、側(cè)裙板槽、駕駛室、后擾流器、后擋板、通風(fēng)窗、熱交換器、發(fā)動機(jī)艙的通風(fēng)孔、傳動系和/或傳動裝置上方氣流的通風(fēng)孔、頂板蓋導(dǎo)風(fēng)板、活動頂篷和通風(fēng)窗口。
19.權(quán)利要求16的交通工具氣流控制系統(tǒng)，其中該激活信號由交通工具的預(yù)定速度觸發(fā)，其中當(dāng)交通工具速度超過預(yù)定速度時(shí)，該活性材料變化至少一種屬性，并且其中當(dāng)交通工具速度低于預(yù)定速度時(shí)，活性材料返回到該至少一種屬性的初始狀態(tài)。
20.權(quán)利要求16的交通工具氣流控制系統(tǒng)，其中該交通工具包括汽車、公路上的牽引車、船、摩托車、飛機(jī)、雪橇或太空船。
21.一種控制交通工具周圍氣流的方法，該方法包括將氣流控制設(shè)備置于交通工具固定表面上，該氣流控制設(shè)備包括具有至少一個表面的主體，和與該至少一個表面有效連通的活性材料，該活性材料根據(jù)激活信號有效改變該活性材料的至少一種屬性；當(dāng)滿足和/或超過預(yù)定的交通工具狀況時(shí)，選擇性地引入激活信號；和使該活性材料的至少一種屬性變化。
22.權(quán)利要求21的方法，其進(jìn)一步地包括中斷激活信號，其中中斷激活信號使得該活性材料的至少一種屬性的變化復(fù)原。
23.權(quán)利要求21的方法，其進(jìn)一步地包括當(dāng)中斷激活信號時(shí)，保持該活性材料的至少一種屬性的變化。
24.權(quán)利要求21的方法，其中該活性材料包括當(dāng)中斷激活信號時(shí)的螺旋彈簧形狀和響應(yīng)激活信號的基本上變直的形狀。
全文摘要
一種氣流控制設(shè)備包括主體和與該主體有效連通的活性材料?；钚圆牧先缧螤钣洃洸牧?，根據(jù)激活信號有效改變至少一種屬性。該活性材料可以變化其形狀、尺寸和/或剛性，產(chǎn)生氣流控制設(shè)備至少一個特征如形狀、尺寸、位置、取向、和/或剛性的變化以控制交通工具氣流而更好地適應(yīng)行車狀況如天氣、離地距離和速度的變化，同時(shí)減少維護(hù)和故障模式的水平。同樣地，該設(shè)備減少由于離地距離不足造成的交通工具損壞，同時(shí)增加交通工具穩(wěn)定性和燃料經(jīng)濟(jì)性?？墒褂眉せ钤O(shè)備、控制器和傳感器以進(jìn)一步地控制氣流控制設(shè)備的至少一個特征的變化，如設(shè)備的形狀、尺寸、位置、取向和/或剛性?？刂平煌üぞ邭饬鞯姆椒ㄟx擇性地引入激活信號以引發(fā)該設(shè)備的至少一個特征的變化，其當(dāng)中斷激活信號時(shí)可以被逆轉(zhuǎn)。
文檔編號B60H1/00GK1890124SQ200480036242
公開日2007年1月3日 申請日期2004年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者A·L·布勞恩, N·L·約翰遜, G·P·麥奈特, C·梅西, G·A·埃雷拉, W·巴沃薩-卡特 申請人:通用汽車公司