專利名稱：用于改變表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于選擇性控制和改變表面紋理和/或表面上摩擦 力水平的方法和裝置。
背景技術(shù)：
一些裝置或方法依賴于在兩個(gè)物體相對(duì)的接觸表面之間的摩擦力 的產(chǎn)生或消除以進(jìn)行特定的功能或操作。示例性的具有經(jīng)構(gòu)造以產(chǎn)生或 消除摩擦力的表面的裝置包括離合器、制動(dòng)器(鼓形制動(dòng)器、盤式制動(dòng) 器等)、軸承、行走輪驅(qū)動(dòng)、控制流體在表面上或在表面之間流動(dòng)的裝 置、輪胎、機(jī)械密封、夾具等。很多這些裝置不能控制摩擦力水平或者 不能通過調(diào)節(jié)至少一個(gè)接觸表面的速度或者至少一個(gè)接觸表面施加的 法向力水平來控制摩擦力水平。
此外，甚至與第二物體不接觸時(shí)在物體的表面上也存在摩擦。流體 流動(dòng)、氣流和/或拖曳在表面上產(chǎn)生摩擦力，其可以通過表面紋理的差異 而提高或降低。甚至更進(jìn)一步，表面紋理的差異也會(huì)降低空氣拖曳噪聲
(aerodrag noise )或者？支變表面夕卜7見。
現(xiàn)有的裝置使用致動(dòng)器和馬達(dá)來改變接觸表面至少之一的相對(duì)速 度和/或由至少 一個(gè)接觸表面施加的法向力，以及用于改變摩^~力水平和 /或表面紋理。例如，制動(dòng)裝置可以改變制動(dòng)塊之間的法向力以改變摩擦 力水平。目前，已經(jīng)通過在天線周圍包括螺旋包裝材料來處理車輛天線 上的空氣拖曳噪聲。天線表面紋理的改變有效地改變了由天線表面上的 空氣流動(dòng)產(chǎn)生噪聲的頻率。然而，該螺旋包裝材料產(chǎn)生永久的而不是可 逆的天線紋理，會(huì)影響天線的收縮和展開的性能，例如在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的天 線的情況下。
此外，然而目前用于改變摩擦力水平的裝置會(huì)是昂貴的，因?yàn)閱为?dú) 的制動(dòng)器或馬達(dá)成本很高。此外，其他操作或功能需求可能不允許致動(dòng) 器和馬達(dá)用于控制摩擦力水平。
因此，存在對(duì)改進(jìn)的用于改變表面的紋理和摩擦力水平的裝置和方 法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
在此公開了用活性材料基物體(active material based body)選擇性控 制和改變表面紋理的裝置和方法的示例性實(shí)施方案。用于選擇性控制和 改變表面紋理的裝置包括具有至少一個(gè)表面的物體，和與該至少一個(gè)表 面操作連接(in operative communication with)的活性材沖牛，其中該活性材 料經(jīng)構(gòu)造以一旦接收到激活信號(hào)就發(fā)生性質(zhì)的改變，其中該性質(zhì)的改變 有效地改變了該至少 一 個(gè)表面的紋理。
用于選擇性控制和改變表面紋理的方法包括提供具有至少 一個(gè)表 面和經(jīng)構(gòu)造以 一旦接受到激活信號(hào)就發(fā)生性質(zhì)改變的活性材料，其中該 性質(zhì)改變有效地改變了該至少 一個(gè)表面的紋理，和對(duì)活性材料施加激活 信號(hào)，造成該活性材料的性質(zhì)改變，其中該活性材料與該至少一個(gè)表面 操作連接，隨著活性材料的性質(zhì)改變使該至少 一個(gè)表面紋理化。
以下附圖和詳述舉例說明了上述和其他特征。


現(xiàn)在參照附圖，其是示例性的實(shí)施方案，其中相似的元件采用相似 的附圖標(biāo)記
圖1是用于改變表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物體的示意 圖，顯示了具有(a)第一表面紋理和(b)第二表面紋理的活性材料基 接觸物體；
圖2是用于改變表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物體的示意 圖，顯示了具有(a)第一剛度(stiffness)和(b)第二剛度的活性材料基 物體；
圖3是用于改變表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物體的示意 圖，顯示了具有(a)第一表面紋理和(b)第二表面紋理的活性材料基 接觸物體；
圖4是用于改變表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物體的另 一示 意圖，顯示了具有(a)第一表面紋理和(b)笫二表面紋理的活性材料 基物體；和
圖5是用于改變表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物體的示意 圖，顯示了具有(a)具有第一厚度的活性材料層和(b)具有第二厚度
的活性材料層的活性材料基物體表面。
具體實(shí)施例方式
在此描述了用于改變表面紋理和控制表面的摩擦力的方法和裝置。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，此處公開的方法和裝置有利地使用了活性材料以改變 表面的紋理。該表面的活性材料部件允許通過一旦接收到激活信號(hào)就改 變?cè)摶钚圆牧系男再|(zhì)而改變?cè)摶钚圆牧喜考谋砻嫘螒B(tài)來控制摩擦力。 根據(jù)活性材料改變的本性和/或偏置或恢復(fù)機(jī)制的存在，這種改變可以是 可逆的或永久的。此處所用的術(shù)語"活性材料"通常是指一旦施加激活 信號(hào)就表現(xiàn)出性質(zhì)(例如尺寸、形狀、取向、剪切力、彈性才莫量、撓曲 模量、屈服強(qiáng)度、剛度等)改變的材料。適合的活性材料包括但不局限
于形狀記憶合金(SMA)、鐵磁性形狀記憶合金(MSMA)、電活性聚 合物(EAP)、壓電材料、磁流變(MR)彈性體、電流變(ER)彈性 體、電致伸縮材料、磁致伸縮材料等。根據(jù)特定的活性材料，該激活信 號(hào)可以采用但不局限于以下形式電流、電場(chǎng)(電壓)、溫度改變、磁 場(chǎng)、機(jī)械負(fù)載或施加應(yīng)力(例如SMA中的應(yīng)力誘導(dǎo)超彈性)、化學(xué)或 pH值改變等。
而且，此處所用的術(shù)語"第一"、"第二"等不表示任何順序或重 要性，而是用于將一個(gè)元件和另一個(gè)區(qū)分開，術(shù)語"該"、"a" 、 "an" 并不表示對(duì)量的限定，而是表示至少一個(gè)指示物的存在。此外，所有涉 及相同量的給定部分或者測(cè)量的范圍都包括端點(diǎn)，且可以獨(dú)立組合。
在一種實(shí)施方案中，用于選擇性控制和改變表面紋理的裝置包括具 有至少一個(gè)表面的物體，和與該至少一個(gè)表面操作連接的活性材料，其 中該活性材料經(jīng)構(gòu)造以一旦接受到激活信號(hào)就發(fā)生性質(zhì)改變，其中該性 質(zhì)改變有效地改變了該至少 一 個(gè)表面的紋理。該表面的紋理改變可以包 括但不局限于在否則是光滑表面上的表面紋理的產(chǎn)生，和/或現(xiàn)有表面紋 理的尺寸、數(shù)量、形狀、間距、數(shù)目、圖案、順應(yīng)性(compliance)特 征等的改變。
此處所述的用于選擇性控制和改變表面紋理和表面上摩擦力水平 的裝置可以用于任何摩擦對(duì)其產(chǎn)生有利或不利影響的應(yīng)用中，例如牽引 裝置、離合器、閘、軸承、空氣動(dòng)力學(xué)、夾具等。而且，該活性材料基 物體可以用于控制表面上的流體邊界層。例如，可以通過使用活性材料
改變表面紋理來控制氣流邊界層、空氣拖曳和空氣噪聲。例如，這可以 用于改變車輛上的壓力并調(diào)節(jié)施加到車輪上的向下力以使性能適應(yīng)特 定的操作條件?？梢愿淖兗y理以在任何可變的紋理表面上產(chǎn)生湍流或?qū)?流邊界層流型。該活性材料基物體也可以用于控制由表面上的空氣流動(dòng) 產(chǎn)生的噪聲。例如，包含活性材料表面的車輛天線可以經(jīng)構(gòu)造以一旦接 受到激活信號(hào)就由活性材料改變?cè)撎炀€的表面紋理。表面紋理的改變， 例如表面的粗糙化，有效地降低了在該天線表面上的氣流產(chǎn)生的噪聲。 例如，在由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的天線的情況下，在安置時(shí)和在展開時(shí)該天線可以 具有光滑的第一表面。然而， 一旦該天線完全展開，該活性材料可以被 激活以產(chǎn)生具有粗糙紋理的天線表面。同樣地，該活性材料基物體不僅 可以用于降低在表面上的氣流噪聲，而且可以用于控制在聲學(xué)應(yīng)用中聲 音的反射。
在另 一種應(yīng)用中，該用于改變表面紋理的活性材料基物體可以用于 控制表面的視覺外觀和/或觸覺以為用戶提供觸覺信號(hào)。換言之，可以通 過使用該活性材料基物體改變/控制表面的外觀和/或觸覺。例如，可以 通過改變儀表板的表面紋理以產(chǎn)生漫射或散射太陽光的表面來降低車 輛儀表板上的眩光?？商娲?，可以使該表面臨時(shí)具有高反射性以幫助 處理當(dāng)停放在太陽下時(shí)進(jìn)入車輛的輻射熱。在觸覺實(shí)施例中，可以控制 控制旋鈕表面的紋理，使得在該旋鈕達(dá)到預(yù)設(shè)所需的位置時(shí)改變用戶手 中的旋鈕的觸覺?？梢允褂迷摶钚圆牧匣矬w以被動(dòng)指示表面的特定溫 度或?qū)μ囟ㄋ降臏囟然虼艌?chǎng)強(qiáng)度的暴露。換言之，該活性材料基物體 可以經(jīng)構(gòu)造以改變表面紋理，用于指示熱的表面或顯示該表面暴露于高 溫。表面紋理的改變可以用于幫助從該表面上分離和去除涂層、沉積物 和污染物(例如水)。表面紋理的改變可以用于幫助降低該表面和第二 表面之間接觸的親密性，其用途包括但不局限于允許氣體或液體流過通 常密封的界面，例如用于冷卻或通風(fēng)的目的。
很多實(shí)施例中僅有 一些中調(diào)節(jié)摩擦力和/或改變表面紋理的能力會(huì) 是有利的。其他可以有利地使用活性材料基物體實(shí)施方案和下述方法的
應(yīng)用將是本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的，可以包括但不局限于觸覺方向盤 反饋、其中紋理指示層數(shù)的觸覺電梯地板等。其中用戶已經(jīng)與表面接觸 并且人們希望通過該表面產(chǎn)生交流或反饋的任何平臺(tái)構(gòu)造。此外，應(yīng)當(dāng) 理解通過與具有該表面的物體連接的活性材料控制該表面紋理和/或該
表面的摩擦力水平。而且，盡管某些方法參照特定的活性材料進(jìn)行了描 述，但應(yīng)當(dāng)理解任何活性材料都可能能夠用于某種應(yīng)用和方法，可以取 決于該材料的物理特征。該活性材料也可以采取任何物理形式，例如多 孔的、實(shí)心的、包埋到第二材料中(無規(guī)的或取向的)、層壓物、固體、 網(wǎng)格、顆粒、纖維等。
該活性材料可以響應(yīng)于激活信號(hào)改變至少一種性質(zhì)， 一旦該激活信 號(hào)停止就恢復(fù)到該至少一種性質(zhì)的最初狀態(tài)，或者對(duì)于一旦停止激活信 號(hào)不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)的活性材料種類，可以使用可替代的裝置使該活性材料 恢復(fù)到其最初狀態(tài)。以這種方法，該活性材料基物體用于適應(yīng)改變的條 件，同時(shí)提高裝置的簡(jiǎn)單性并降低故障模式的數(shù)量。作為其中返回到活
性材料的初始狀態(tài)不是有利的應(yīng)用的實(shí)例，可以使用SMP基物體。SMP 基物體在其記憶狀態(tài)下具有凹痕紋理的表面。 一旦接收到熱信號(hào)，該
變平。由于隨之SMP的模量大大提^，因此冷卻同^;持該表面接觸 將該變平的表面幾何形狀鎖定在SMP基物體上。在該表面負(fù)載去除的 同時(shí)再次施加熱信號(hào)將是為了將SMP恢復(fù)到最初凹痕表面所需要的。 在另 一實(shí)施例中，該活性材料基物體可以是經(jīng)構(gòu)造用于滑落到車輛輪轂 中的軸。在其初始狀態(tài)下，該軸可以具有小于該輪轂的直徑，使得其可 以容易地安裝在該輪轂中。 一旦正確定位在輪轂中，可以對(duì)該軸的活性 材料施加激活信號(hào)。該活性材料的至少 一種性質(zhì)的改變可以有效地使輪 轂內(nèi)的軸的表面膨脹或使其紋理化，由此改變軸的表面，與輪轂產(chǎn)生互 鎖配合。 一旦停止激活信號(hào)，該活性材料保持新的膨脹的表面。
該活性材料的活化也可以經(jīng)構(gòu)造以隨時(shí)間改變。而且，該隨時(shí)間改 變的活化可以連續(xù)發(fā)生，其中該活性材料隨著激活信號(hào)的時(shí)間改變而改 變其性質(zhì)，與其中活性材料在激活時(shí)在兩種離散狀態(tài)之間改變性質(zhì)的不 變;敫活(non-varying activation)不同。下面將更i羊細(xì)i也描述上面歹11出的 用于活性材料基物體的活性材料。
活化裝置與活性材料基物體連接并操作連接，活化裝置可以與控制 系統(tǒng)連接。該活化裝置可操作用于選擇性為活性材料基物體提供激活信 號(hào)并通過改變?cè)摶钚圆牧系闹辽僖环N性質(zhì)來改變表面的紋理或摩擦力。 該活化裝置可以經(jīng)構(gòu)造以控制該活性材料的至少 一種性質(zhì)的改變本性， 并因此改變?cè)摶钚圆牧匣矬w的表面紋理。該改變的可控制的本性實(shí)例 包括但不局限于活性材料基物體的表面紋理的尺寸改變、數(shù)量改變、 形狀改變、間距改變、圖案改變、數(shù)目改變、順應(yīng)性特征改變和類似改 變。例如，可以根據(jù)人們是否將旋鈕轉(zhuǎn)到所需位置用該活性材料改變?cè)?活性材料基物體的表面紋理。根據(jù)需要，該活化裝置為該活性材料基物 體的活'性材料提供激活信號(hào)或激勵(lì)以造成特征改變，例如但不局限于該 物體表面的至少一部分的紋理、外觀、摩擦力等。在一種實(shí)施方案中， 該特征改變通常維持施加激活信號(hào)的整個(gè)過程。 一旦取消該激活信號(hào)， 該活性材料通常恢復(fù)到失活狀態(tài)，并基本回復(fù)到該至少 一種性質(zhì)的初始 狀態(tài)，因此使活性材料基物體以及因此其表面恢復(fù)到最初的特征(一種 或多種)。在另一實(shí)施方案中， 一旦取消該激活信號(hào)，該活性材料的至 少一種性質(zhì)和/和該活性材料基物體的至少一部分的特征的改變可以保 持。下面所述的實(shí)施方案僅是示例性的，并不用于限定到任何特定的形 狀、大小、尺寸或構(gòu)造、材料等。
可替代地，該激活信號(hào)可以;波動(dòng)地應(yīng)用于該活性材料，而不是通過 使用活化裝置。在這種方式下，該激活信號(hào)可以由該活性材料基物體放 置于其中的環(huán)境提供。因此可以被動(dòng)激活表面紋理。 一般在鐵磁性SMA 或磁致伸縮材料的情況中，暴露于磁場(chǎng)造成這些活性材料的尺寸改變， 其如果適合的排列或構(gòu)造將導(dǎo)致表面紋理的增大或減小。在熱激活形狀 記憶材料，例如SMP或SMA的情況下，當(dāng)暴露于高于規(guī)定極限的溫度 時(shí)，可以激活該熱激活形狀記憶效應(yīng)。其中被動(dòng)激活可以是有利的的應(yīng) 用實(shí)例包括指示活性材料基容器(例如食物容器、醫(yī)療容器等)的內(nèi)容 物已經(jīng)污染而且不適用于進(jìn)一步使用，其中當(dāng)SMP或SMA暴露于高于 規(guī)定限度的溫度時(shí)表面紋理改變。在另一實(shí)例中，活性材料基物體，例 如車輛發(fā)動(dòng)機(jī)罩，包含SMP,具有第一表面紋理。該SMP可以經(jīng)構(gòu)造 使得當(dāng)達(dá)到所需溫度時(shí)，來自發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量有效改變，即軟化SMP,由 此導(dǎo)致從第 一表面紋理改變?yōu)轶识砻婕y理。
下面公開了用于選擇性控制和改變表面紋理的活性材料基裝置和 方法的幾種實(shí)施方案。在各圖中，為了便于對(duì)特定應(yīng)用的功能的討論和 理解，示出了該活性材料部件處于(a)激活狀態(tài)和(b)失活狀態(tài)的特 定實(shí)施方案。
現(xiàn)在參考圖1,示出了示例性的用于選擇性控制和改變表面紋理的 活性材料基物體10。該物體IO具有包括活性材料的表面12,如圖l(a)
所示。當(dāng)該活性材料激活時(shí)，激活材料發(fā)生至少一種性質(zhì)的改變，例如
形狀改變，這導(dǎo)致表面12的紋理改變。在該實(shí)施方案中，該活性材料 的形狀改變導(dǎo)致在表面12上形成缺紋14,如圖1 (b)所示?？梢栽谠?表面12的邊緣施加任選的剪切力16以根據(jù)該剪切力16的方向和大小 進(jìn)一步改變?cè)摪櫦y14的尺寸或排列。而且，當(dāng)和另一物體接觸時(shí)，該 皺紋14改變?cè)撐矬w10的固有摩擦系數(shù)。此外，該實(shí)施方案可以使用位 于該活性材料頂部的另一層(未示出)，用于和外力相聯(lián)系。這可以用 作涂層或用于提高活性材料的響應(yīng)和活性。
在示例性的實(shí)施方案中，在 一 旦接受到激活信號(hào)激活活性材料時(shí)， 該活性材料基物體IO可以改變表面紋理。在此處所述的實(shí)施方案中， 該激活信號(hào)可以是主動(dòng)或被動(dòng)的。在圖1中，活化裝置18為活性材料 基物體IO提供激活信號(hào)。該活化裝置18提供的激活信號(hào)可以包括熱信 號(hào)、磁信號(hào)、電信號(hào)、氣動(dòng)信號(hào)、機(jī)械信號(hào)、化學(xué)信號(hào)等，以及包含前 述信號(hào)中至少一種的組合，特定的激活信號(hào)取決于該活性材料的材料和 /或結(jié)構(gòu)。例如，為了改變由SMA和/或SMP制備的活性材料的性質(zhì)， 可以施加熱信號(hào)。為了改變由EAP、電致伸縮材沖牛和/或電子EAP's制造 的活性材料的性質(zhì)，可以施加電信號(hào)。為了改變由磁致伸縮材料，例如 MSMA和MR彈性體制備的活性材料的性質(zhì)，可以施加(去除或改變) 磁場(chǎng)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2,示出了用于選擇性控制和改變表面紋理的活性材料 基物體20的另一實(shí)施方案。該物體20能夠通過活性材料部件24的至 少一種性質(zhì)改變將表面22的摩擦系數(shù)從各向同性摩擦系數(shù)改變?yōu)楦飨?異性摩擦系數(shù)。如圖2(a)所示，該物體20包括表面22,其中該表面 22包括活性材料部件24的帶和恒定剛度元件26。當(dāng)該活性材料部件24 具有和該恒定剛度元件26相似的第一彈性模量時(shí)，該表面22具有第一 摩擦系數(shù)(如圖2 ( b )所示)，使得該物體20的表面22均勻，導(dǎo)致各 向同性摩擦系數(shù)。而且，從活性材料部件24到恒定剛度元件26的表面 紋理能夠基本是均勻的，在該表面和與其接觸的另 一物體之間提供了均 勻的摩4察力。
當(dāng)一旦接收到激活信號(hào)該活性材料部件24就經(jīng)過至少一種性質(zhì)改 變(即剛度改變)時(shí)，該表面22具有第二摩擦系數(shù)(如圖2 (c)所示)。 在該第二彈性模量時(shí)，該活性材料部件24具有低于該恒定剛度元件26
的彈性模量。因此，該恒定剛度元件26在該表面和與其接觸的物體之 間提供了初始摩擦力(primary frictional force )。在這種條件下，由于 該恒定剛度元件26的布局，該表面具有各向異性的常數(shù)。當(dāng)在該第二 剛度水平時(shí)，該激活材料部件24在用足夠的力接觸時(shí)能夠變形(塑性 或通過較大的彈性變形)。通過對(duì)恒定和可變剛度的區(qū)域，即活性材料， 的元件進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)各種類型的各向異性和各向同性的摩 擦系數(shù)。例如，兩維褶皺可以產(chǎn)生較為各向同性的摩擦系數(shù)，而一系列 線性區(qū)域可以產(chǎn)生各向異性的摩擦系數(shù)。該表面22甚至在第二剛度水 平時(shí)也可以具有褶皺紋理，由此為該表面22提供各向異性的摩擦系數(shù)。 特別地，改變活性材料部件24的彈性模量有效地各向異性地改變了物 體20的摩擦力水平。因此，該表面22的摩擦力水平以及在一些實(shí)施方 案中的紋理從活性材料部件24到恒定剛度元件26以交替方式變化。
參照?qǐng)D3，示出了另一種示例性的活性材料基物體30。該物體30 包括活性材料層32和摩擦元件34。該活性材料層32能夠通過一旦接受 到激活信號(hào)就改變剛度因此改變形狀來控制摩擦力水平和改變表面36 的紋理。該活性材料層32可以是任意上面列出的活性材料。例如，在 該實(shí)施方案中，可以4吏用SMP作為活性材料層32，經(jīng)構(gòu)造以當(dāng)加熱到 熱轉(zhuǎn)化溫度之上時(shí)和當(dāng)冷卻到熱轉(zhuǎn)化溫度之下時(shí)改變形狀。通過改變剛 度以及因此改變和摩擦元件34的順應(yīng)性(compliance),可使暴露于該 表面的該部分摩〗察元件改變。該摩擦元件34具有倒鉤38，可以包括回 彈性材料，例如可彎曲的金屬，并固定在SMP層32中。 一旦接受到激 活信號(hào)，即熱信號(hào)，該SMP層32可以凈皮加熱倒熱轉(zhuǎn)化溫度之上，因此 使SMP層32的結(jié)構(gòu)的剛性降低，使該摩擦元件34由其中倒鉤38平置 的強(qiáng)迫彎曲形狀(如圖3 (a)所示)恢復(fù)到其中該倒鉤38突出該物體 30的表面38的松弛自然位置(如圖3 (b)所示)。當(dāng)該SMP冷卻到 熱轉(zhuǎn)化溫度之下時(shí)，該SMP層32返回到永久的剛性更大的形狀，由此 迫^f吏該摩〗察元件34伸直。該失活的SMP層32 4吏該倒鉤38彎曲回到物 體30的表面36之內(nèi)。因此，當(dāng)對(duì)SMP層32提供激活信號(hào)時(shí)，該表面 36的形狀從基本平坦的表面(圖3 (a))改變到具有從其上突出的倒 鉤38的表面(圖3(b))。該表面形狀的可逆改變改變了該表面36的 紋理和摩擦系數(shù)。在另一示例性的實(shí)施方案中，該摩4察元件34可以經(jīng) 構(gòu)造為另 一選擇形式，使得當(dāng)該SMP具有剛性結(jié)構(gòu)時(shí)倒鉤38從SMP
層32上突出，而當(dāng)該SMP處于軟化狀態(tài)時(shí)不突出。
在圖4中，示出了活性材料基物體40的另一實(shí)施方案。該物體40 能夠通過誘發(fā)局部位移和/或振動(dòng)改變表面紋理和控制摩擦力水平。該物 體40包括構(gòu)件42和與該構(gòu)件操作連接的活性材料部件44。在該特定的 實(shí)施方案中，該活性材料部件44是設(shè)置在該構(gòu)件42的底面上的壓電材 料片。該活性材料部件44,即壓電片，經(jīng)構(gòu)造以響應(yīng)于施加的電壓(分 別為恒定或隨時(shí)間改變的)在高頻位移和/或振動(dòng)。該構(gòu)件42包括具有 表面46的柔性材料。該壓電片44的位移/振動(dòng)有效地改變了該表面46 的紋理和摩擦力水平。該構(gòu)件42經(jīng)構(gòu)造以響應(yīng)于該壓電片44施加的力 在第 一形狀和第二形狀之間轉(zhuǎn)變。該壓電片具有遠(yuǎn)離中性軸的壓電層， 使得在施加電壓時(shí)產(chǎn)生彎曲，而在去除電壓時(shí)彎曲消失。該電流提供了 駐電波，這是保持原位并導(dǎo)致壓電片44振動(dòng)的波。
當(dāng)對(duì)該壓電片(piezoelectric patch) 44施力。電信號(hào)時(shí)，該片發(fā)生位 移和/或振動(dòng)，該構(gòu)件42從第一形狀(如圖4 (a)所示)轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙?狀(如圖4 (b)所示)。第一接觸構(gòu)件42的形狀改變改變了該表面46 的摩擦力水平和紋理。該壓電片44和該表面46可以制備以以制定的振 動(dòng)方式諧振。這些模式將產(chǎn)生該表面46位移的駐波。表面46的摩擦力 水平的改變?nèi)Q于該駐波的瞬時(shí)方向(current direction ),其可以每秒 鐘改變幾次。因此，該摩擦力水平直接由壓電片44的局部位移或振動(dòng) 誘發(fā)的，可以通過改變對(duì)該壓電片44的激勵(lì)的振幅和相對(duì)頻率快速對(duì) 其進(jìn)行調(diào)節(jié)，這又改變了駐波的位移、駐波的振幅等。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5，示出了另一種示例性的活性材料基物體60。該物體 60能夠主動(dòng)地選才奪性改變表面紋理。在一種特定的實(shí)施方案中，該物體 60包括多層構(gòu)件62,其具有埋置在該多層構(gòu)件62內(nèi)的摩擦元件，例如 針64。該針64具有第一表面紋理63。該多層構(gòu)件62與基體66物理連 接，具有第一層68和第二層70。該第一層68包括活性材料，例如SMA, 經(jīng)構(gòu)造以響應(yīng)于激活信號(hào)(例如熱信號(hào))改變形狀。該第二層70可以 是非活性材料或與笫一層68中的活性材料不同的活性材料。該第二層 具有第二表面紋理72,其具有比針64更高的摩擦系數(shù)。在可替代的實(shí) 施方案中，該針64可以具有比該表面72更高的摩擦系數(shù)。
當(dāng)該活性材料層68具有第一形狀時(shí)，如圖5 (a)所示，該第一層 68具有第一厚度(ln),該針64暴露于該表面72之上，使得第二物體、
用戶的手、氣流等在接觸物體60時(shí)會(huì)與該針64摩擦嚙合。當(dāng)該活性材 料第一層68具有第二形狀時(shí)，如圖5(b)所示，該第一層68具有第二 厚度(h2),該針64位于該第二層70的凹入部分74中，使得該針64 位于該表面72之下，以及第二物體、用戶的手、氣流等在與物體60物 理連接時(shí)會(huì)與該表面72摩擦嚙合。在這種實(shí)施方案中，該針64包含^氐 摩擦材料，該第二層70包括具有高摩擦表面的材料。因此，通過用激 活信號(hào)使該活性材料第一層68膨脹和收縮，該物體60能夠可變地在兩 種摩擦表面紋理之間選擇。當(dāng)該活性材料第 一層68具有第 一形狀時(shí)， 該針64提供第一摩擦系數(shù)。當(dāng)該活性材料第一層68具有第二形狀時(shí)， 該第二層70的表面72提供第二摩擦系數(shù)。
應(yīng)當(dāng)理解該活性材料基物體60并不僅限于圖5中所示的特定形狀， 而是該物體可以具有任何能夠?yàn)榱嗽趦煞N摩4察表面紋理之間改變而改 變的形狀。在可替代的示例性實(shí)施方案中，該摩擦元件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。當(dāng)該活性材料改變形狀 時(shí)，該摩4察元件64調(diào)節(jié)以改變朝向該表面的元件的部分。例如，該物 體60可以包括具有桿狀物作為摩擦元件的結(jié)構(gòu)。該摩擦桿狀物可以具 有不同的摩擦表面，其與表面72平行埋置，使得該活性材料的激活會(huì) 使該桿狀物旋轉(zhuǎn)，例如從具有低摩擦接觸表面的位置滾到具有高摩擦接 觸表面的位置。在另一實(shí)施方案中，該針實(shí)際上可以包括球軸承，為該 表面的摩擦力提供甚至更大的改變。
有利地，該上述公開的用于控制活性材料基物體的表面紋理的方法 可以應(yīng)用于任何摩擦對(duì)其產(chǎn)生有利或不利影響的應(yīng)用中，例如牽引裝 置、離合器、閘、軸承、空氣動(dòng)力學(xué)、夾具、觸覺系統(tǒng)、和噪音減少等。 其他可以有利地使用上述公開的方法的應(yīng)用將是本領(lǐng)域的技術(shù)人員已 知的。此外，應(yīng)當(dāng)理解可以通過用于該表面的物體之中、之上或附近的 活性材料控制該表面的紋理和/或摩擦力水平。而且，盡管某些方法參照 了特定的活性材料進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解任何活性材料都可能能夠用 于特定的方法，可以取決于該材料的物理特征。該活性材料也可以采用 任何物理形式，例如多孔的、實(shí)心的、埋置于笫二材料中(無規(guī)或取向 的)、層壓物、固體、和網(wǎng)格等。
如前所述，適用于上述物體的活性材料包括但不局限于形狀記憶 聚合物(SMP )、形狀記憶合金(SMA )、磁性形狀記憶合金(MSMA )、
13MR彈性體、壓電材料、電活性聚合物(EAP)、作為一類的電致伸縮 材料和作為另 一類的磁致伸縮材料。
如前所述，適用于可以改變表面紋理和摩擦力水平的合適活性材料 包括但不局限于形狀記憶合金("SMA",例如熱和應(yīng)力活化的形狀 記憶合金和磁性形狀記憶合金(MSMA))、電活性聚合物(EAP)， 例如介電彈性體、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)、壓電材料(例 如聚合物、陶瓷)和形狀記憶聚合物(SMP)、形狀記憶陶瓷(SMC)、 壓力塑料、磁流變(MR)材料(例如流體和彈性體)、電流變(ER) 材料(例如流體和彈性體)、^磁致伸縮和電致伸縮材料，以及前述活性 材料和非活性材料的復(fù)合材料、包含前述活性材料中至少 一種的系統(tǒng)、 和包含前述活性材料中至少一種的組合。為簡(jiǎn)便起見并通過實(shí)例，此處 將參考形狀記憶合金和形狀記憶聚合物。形狀記憶陶資、壓力塑料等也 可以以類似方式應(yīng)用。例如，用壓力塑料材料時(shí)，高和低玻璃轉(zhuǎn)化溫度 (Tg)組分的納米相疇的壓力誘導(dǎo)混合實(shí)現(xiàn)形狀改變。壓力塑料可以以 較低溫度重復(fù)加工而不會(huì)降解。SMC與SMA類似，但比其他形狀記憶 材料能忍受更高得多的操作溫度。SMC的實(shí)例是壓電材料。
形狀記憶合金一旦應(yīng)用或去除外部激勵(lì)就會(huì)恢復(fù)其最初形狀的能 力導(dǎo)致其在施加力導(dǎo)致所需運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器中的應(yīng)用?；钚圆牧现聞?dòng)器與 傳統(tǒng)的電動(dòng)和液壓致動(dòng)裝置相比，有潛力降低致動(dòng)器尺寸、重量、體積、 成本、噪聲，并提高堅(jiān)固性。例如，鐵磁性SMA's表現(xiàn)出對(duì)施加磁場(chǎng)響 應(yīng)(并與其強(qiáng)度成比例)的高至百分之幾的快速尺寸改變。然而，這些 改變是單向改變，使用偏置力或場(chǎng)逆轉(zhuǎn)使該鐵磁性SMA返回其起始結(jié) 構(gòu)。
物。最常使用的這些相是所謂的馬氏體和奧氏體相。在以下討論中，馬 氏體相通常是指更容易變形的、更低溫度的相，而奧氏體相通常是指更 具剛性的、更高溫度的相。當(dāng)該形狀記憶合金處于馬氏體相且加熱時(shí)， 其開始轉(zhuǎn)化為奧氏體相。這種現(xiàn)象開始的溫度通常稱作奧氏體起始溫度 (As)。這種現(xiàn)象結(jié)束的溫度通常稱作奧氏體結(jié)束溫度(Af)。當(dāng)該形 狀記憶合金處于奧氏體相且冷卻時(shí)，其開始轉(zhuǎn)化為馬氏體相。這種現(xiàn)象 開始的溫度通常稱作馬氏體起始溫度(Ms)。奧氏體結(jié)束轉(zhuǎn)化為馬氏體 的溫度通常稱作馬氏體結(jié)束溫度(Mf) 。 As和Af之間的范圍通常稱作
馬氏體到奧氏體的轉(zhuǎn)化溫度范圍，而Ms和Mf之間的范圍通常稱作奧 氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)化溫度范圍。應(yīng)當(dāng)注意上述轉(zhuǎn)化范圍是SMA樣品經(jīng) 受的應(yīng)力的函數(shù)。通常，隨著應(yīng)力增大，這些溫度也隨之升高。由于前 述的性質(zhì)，該形狀記憶合金的形變優(yōu)選在奧氏體起始溫度或在該溫度之 下(等于或低于As)進(jìn)行。后續(xù)加熱到上述奧氏體起始溫度之上造成該 變形的形狀記憶材料樣品開始恢復(fù)到其最初(未受應(yīng)力的)永久形狀， 直至在奧氏體完成溫度時(shí)結(jié)束。因此，和形狀記憶合金一起使用的適合 的激活輸入或信號(hào)是具有足以造成在馬氏體和奧氏體相之間轉(zhuǎn)化的量 級(jí)的熱激活信號(hào)。
可以通過略微改變合金組成和通過熱機(jī)械加工，來調(diào)節(jié)形狀記憶合 金在加熱時(shí)記住其高溫形態(tài)(即其最初的未受應(yīng)力的形狀)的溫度。例 如，在鎳-鈦形狀記憶合金中，其可以從高于約100。C到低于約-10(TC變 化。該形狀恢復(fù)過程可以發(fā)生在只有幾度的范圍內(nèi)，或者在更寬的溫度 范圍上表現(xiàn)出更漸進(jìn)性的恢復(fù)。根據(jù)所需的應(yīng)用和合金組合物，該轉(zhuǎn)化 的起始或結(jié)束可以控制到幾度之內(nèi)。形狀記憶合金的機(jī)械性質(zhì)在跨越其 轉(zhuǎn)化的溫度范圍內(nèi)變化很大，通常提供了形狀記憶作用和超彈性作用。 例如，在馬氏體相中，觀察到比奧氏體相更低的彈性模量。通過用施加 的應(yīng)力對(duì)晶體結(jié)構(gòu)排列進(jìn)行重排，馬氏體相的形狀記憶合金可以經(jīng)受大 的變形。在應(yīng)力去除后該材料將保持這一形狀。換言之，在SMA中的 應(yīng)力誘導(dǎo)相變本身是雙向的，當(dāng)SMA處于奧氏體相時(shí)施加足夠的應(yīng)力 將使其轉(zhuǎn)變到較低模量的馬氏體相。施加應(yīng)力的去除將使SMA返回到 其奧氏體相，這樣就恢復(fù)了其初始形狀和更高的模量。
示例性的形狀記憶合金材料包括鎳-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-鈀基合金等。該合金可以是二元、三元或任何更高元 的，只要該合金組合物具有形狀記憶作用，例如形狀、取向、屈服強(qiáng)度、 撓曲模量、阻尼容量、超彈性和/或類似性質(zhì)的改變即刻。適合的形狀記 憶合金組合物的選擇部分取決于目標(biāo)應(yīng)用的溫度范圍。
在較高溫度下恢復(fù)到奧氏體相伴隨著非常大的應(yīng)力(與使該材料變 形所需的相比)，其可以高至奧氏體相材料的固有屈服強(qiáng)度，有時(shí)高至 該變形的馬氏體相的三倍或更多倍。對(duì)于需要大量操作循環(huán)的應(yīng)用，可
以得到小于或等于所用線的變形長(zhǎng)度的約4%的應(yīng)變。在用0.5毫米 (mm)直徑的SMA線進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，得到了約為4%的最大應(yīng)變。對(duì) 于更細(xì)的線或?qū)τ谏倭垦h(huán)的應(yīng)用，這一百分比可以提高到直至8%。 對(duì)可得到的應(yīng)變的這種限制顯著限制SMA致動(dòng)器在空間有限的情況下 的應(yīng)用。
FSMA是SMA的子類。FSMA的行為可以與常規(guī)SMA材料相似， 在馬氏體和奧氏體之間具有應(yīng)力或熱誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化。此外，F(xiàn)SMA具有4失 磁性，具有強(qiáng)的磁晶各向異性，這使得外磁場(chǎng)可以影響場(chǎng)排列的馬氏體 變體(field aligned martensitic variant)的取向/部分。在去除了石茲場(chǎng)時(shí)， 該材料可以具有完全雙向、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、》茲場(chǎng)或應(yīng)力會(huì)使該材料可以恢復(fù)到其初 始狀態(tài)。完美的雙向形狀記憶可以用于4吏用所施加的連續(xù)功率成比例控 制。單向形狀記憶最適用于其中延時(shí)的恢復(fù)激勵(lì)可以執(zhí)行閉鎖功能的閉 鎖型應(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芯用于快速響應(yīng)。
示例性的鐵磁性形狀記憶合金是鎳-錳-鎵基合金、鐵-柏基合金、鐵 -鈀基合金、鈷-鎳-鋁基合金、鈷-鎳-鎵基合金。與SMA相似，這些合金 可以是二元、三元或任何更多元的，只要該合金組合物具有形狀記憶作 用，例如形狀、取向、屈服強(qiáng)度、撓曲模量、阻尼容量、超彈性和/或類 似性質(zhì)的改變即可。適合的形狀記憶合金組合物的選擇部分取決于預(yù)期 應(yīng)用的溫度范圍和響應(yīng)類型。
如前所述，其他示例性的形狀記憶材料是形狀記憶聚合物(SMP)。 "形狀記憶聚合物"通常是指一旦施加激勵(lì)信號(hào)就會(huì)具有性質(zhì)(例如模 量、尺寸、熱膨脹系數(shù)、透濕性、光學(xué)性質(zhì)(例如透射率)或包含前述 性質(zhì)中至少 一種和微觀結(jié)構(gòu)和/或形態(tài)變化相結(jié)合的組合)的改變的聚合 物材料。形狀記憶聚合物可以是熱響應(yīng)的(即性質(zhì)的改變是直接通過熱 提供或去除，或間接通過適于激發(fā)分子水平上高振幅振動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)生內(nèi)熱 的頻率振動(dòng)傳送的熱激活信號(hào)造成的)、光響應(yīng)的(即性質(zhì)的改變是通 過電磁輻射激勵(lì)信號(hào)造成的)、濕度響應(yīng)的(即性質(zhì)的改變是通過液體 激活信號(hào)，例如濕度、水蒸氣或水造成的)、化學(xué)響應(yīng)的(即對(duì)環(huán)境中 的一種或多種化學(xué)物種的濃度改變響應(yīng)的；例如H+離子的濃度一環(huán)境 的pH值)或包含前述至少一種的組合。
通常，SMP是包含至少兩種不同單元的相偏析共聚物 (phase-segregated copolymer),所述單元可以描述為限定SMP內(nèi)的不 同片段，各片段對(duì)SMP的總性能貢獻(xiàn)不同。此處所述的術(shù)語"片段" 是指相同或相似單體或低聚單元的嵌段、接枝或序列，其共聚構(gòu)成SMP。 每個(gè)片段可以是(半)晶質(zhì)的或無定形的，將分別具有相應(yīng)的熔點(diǎn)或玻 璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)。此處所用的術(shù)語"熱轉(zhuǎn)化溫度"用于便于一般表 示取決于該片段是無定形片段或晶質(zhì)片段的Tg或熔點(diǎn)。對(duì)于包含(n) 個(gè)片段的SMP,該SMP據(jù)稱具有一個(gè)硬片段和(n-1 )個(gè)軟片段，其中 該硬片段具有比任何軟片段更高的熱轉(zhuǎn)化溫度。因此，該SMP具有(n) 個(gè)熱轉(zhuǎn)化溫度。該硬片段的熱轉(zhuǎn)化溫度稱作"最終轉(zhuǎn)化溫度"，所謂的 "軟片段"的最低熱轉(zhuǎn)化溫度稱作"第一轉(zhuǎn)化溫度，，。重要的是注意到， 如果SMP具有多個(gè)特征在于相同熱轉(zhuǎn)化溫度(也是最終轉(zhuǎn)化溫度)的 片段，那么SMP稱作具有多個(gè)硬片段。
當(dāng)SMP加熱到最終轉(zhuǎn)化溫度之上時(shí)，該SMP材料可以獲得永久的 形狀?？梢酝ㄟ^后續(xù)將SMP冷卻到該溫度之下來設(shè)定或記憶SMP的永 久形狀。此處所用的術(shù)語"初始形狀"、"前面限定的形狀，，、"預(yù)設(shè) 形狀"和"永久形狀"是同義詞，用于可互換使用?？梢酝ㄟ^將該材料 加熱到高于任何軟片段的熱轉(zhuǎn)化溫度但低于最終轉(zhuǎn)化溫度的溫度，施加 外應(yīng)力或負(fù)載以使SMP變形，然后冷卻到軟片段的特定熱轉(zhuǎn)化溫度之 下同時(shí)保持該變形外應(yīng)力或負(fù)載，來固化臨時(shí)形狀。
可以通過在去除該應(yīng)力或負(fù)載的情況下，將該材料加熱到軟片段的 特定熱轉(zhuǎn)化溫度但低于最終轉(zhuǎn)化溫度，來恢復(fù)該永久形狀。因此，應(yīng)當(dāng) 清楚通過結(jié)合多個(gè)軟片段，是能夠顯示多個(gè)臨時(shí)形狀的，通過使用多個(gè) 硬片段，能夠顯示多個(gè)永久形狀。類似地，使用分層或復(fù)合方法，多種 SMP的組合將顯示在多個(gè)臨時(shí)和永久形狀之間的轉(zhuǎn)化。
該形狀記憶材料也可以包含壓電材并牛。而且，在某些實(shí)施方案中，
此處所用的;語:'壓電"用;描、述當(dāng)施加電壓電勢(shì)時(shí)發(fā)生機(jī)械變形(改
變形狀)或者相反當(dāng)機(jī)械變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷的材料。壓電材料當(dāng)受到施 加的電壓時(shí)顯示小的尺寸改變，所述響應(yīng)與施加電場(chǎng)的強(qiáng)度成比例而是 是相當(dāng)快的(能夠容易地達(dá)到千赫范圍)。因?yàn)槠涑叽绺淖冃?例如小 于0.1%),所以為了大大提高尺寸改變的量級(jí)，通常以壓電陶資單壓
電晶片或雙壓電晶片平片致動(dòng)器(unimorph and bi-morph flat patch actuator)的形式使用，所述致動(dòng)器經(jīng)構(gòu)造以一旦施加相對(duì)小的電壓就彎 曲呈凹入或凸起形狀。在該夾具的襯里內(nèi)的這種片的變形/彎曲適用于夾 持物體的抓緊/釋放。
單壓電晶片的一種類型是由與柔性金屬箔或條外部連接的單一壓 電元件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用變化電壓激活時(shí)受到該壓電元件的激勵(lì)并由于 它與壓電元件的運(yùn)動(dòng)相反而產(chǎn)生軸向彎曲或偏轉(zhuǎn)。單壓電晶片類型的致 動(dòng)器運(yùn)動(dòng)能夠通過收縮或膨脹進(jìn)行。單壓電晶片能夠具有高至約10%的 應(yīng)變，但相對(duì)于單壓電晶片結(jié)構(gòu)的總體尺寸通常僅能夠支持低的負(fù)載。
與單壓電晶片壓電裝置相反，雙壓電晶片裝置包括夾在兩個(gè)壓電元 件之間的中間柔性金屬箔。雙壓電晶片比單壓電晶片具有更大的位移， 因?yàn)樵谑┘与妷鹤饔孟拢?一個(gè)陶資元件將收縮，而另一個(gè)則膨脹。雙壓 電晶片可以具有高至約20%的應(yīng)變，但與單壓電晶片類似，相對(duì)于單壓 電晶片結(jié)構(gòu)的總體尺寸通常不能支持高的負(fù)載。
示例性的壓電材料包括無機(jī)化合物、有機(jī)化合物和金屬。對(duì)于有機(jī) 化合物而言，可以使用所有具有非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)和在分子內(nèi)的主鏈上或 在側(cè)鏈上或兩種鏈上具有大偶極距基團(tuán)的聚合材料作為壓電膜的候選 材料。聚合物的實(shí)例包括聚(4-苯乙烯磺酸鈉)("PPS")、聚S-119 (聚(乙烯胺)主鏈偶氮發(fā)色團(tuán))及其衍生物；聚氟烴 (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 氯烴，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，和膜蛋白質(zhì)， 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 亞胺，包括K叩ton⑧分子和聚醚酰亞胺("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， 和無規(guī)PVP-共-乙酸乙烯酯("PVAc，，)共聚物；和所有在主鏈或側(cè)鏈 或在主鏈和側(cè)鏈上都具有偶極距基團(tuán)的芳香族聚合物；以及包含前述至 少一種的所有組合。
此外，壓電材料可以包括Pt、 Pd、 Ni、 T、 Cr、 Fe、 Ag、 Au、 Cu
和包含前述至少一種的金屬合金，以及包含前述至少一種的組合。這些
壓電材料還可以包括例如金屬氧化物，例如Si02、 A1203、 Zr02、 Ti02、 SrTi03、 PbTi03、 BaTi03、 Fe03、 Fe304、 ZnO,包含前述前述至少一 種的組合；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種的組合。
示例性的可變模量材料還包括磁流變(MR)和ER聚合物。MR聚 合物是微米尺寸的可磁極化的顆粒(例如如下所述的鐵磁性或順磁性顆 粒)在聚合物(例如熱固性彈性聚合物或橡膠)中的懸浮體。示例性的 聚合物基質(zhì)包括聚a-烯烴、天然橡膠、硅酮、聚丁二烯、聚乙烯、聚異 戊二烯以及包含前述至少一種的組合。
通過改變施加磁場(chǎng)的強(qiáng)度而改變剪切和壓縮/拉伸^^莫量來實(shí)現(xiàn)該聚 合物結(jié)構(gòu)的剛度和潛在的形狀。該MR聚合物通常在磁場(chǎng)中暴露短至幾 毫秒的時(shí)間時(shí)就顯現(xiàn)其結(jié)構(gòu)，其剛度和形狀隨施加場(chǎng)的強(qiáng)度呈比例變 化。MR聚合物停止暴露于磁場(chǎng)使該過程反轉(zhuǎn)，使彈性體恢復(fù)到其較低 模量狀態(tài)。然而，場(chǎng)生成線圈(field generating coil)的包裝會(huì)帶來挑戰(zhàn)。
電子電活性聚合物(EAP)是具有低彈性模量的介電材料中間層的 一對(duì)電極的層壓物。在電極之間施加電勢(shì)擠壓中間層，使其在平面內(nèi)膨 脹。它們對(duì)施加的場(chǎng)呈比例響應(yīng)，可以在高頻下激活。EAP漸變層壓片 (EAP morphing laminate sheet)已經(jīng)得到證實(shí)。其主要缺點(diǎn)在于其需要 施加的電壓是壓電材料所需的約三個(gè)數(shù)量級(jí)高。
電活性聚合物包括對(duì)電或機(jī)械場(chǎng)響應(yīng)的壓電、熱電或電致伸縮性質(zhì) 的聚合物材料。電致伸縮的接枝彈性體和壓電聚(1, 1-二氟乙烯-三氟 乙烯)共聚物的實(shí)例(An example of an electrostrictive誦grafted elastomer with a piezoelectric poly(vinylidene fluoride-trifluoro-ethylene) copolymer)。這種組合具有產(chǎn)生各種量的鐵電-電致伸縮分子復(fù)合體系 的能力。
橡膠，其對(duì)靜電場(chǎng)響應(yīng)而變形，或者其變形導(dǎo)致電場(chǎng)的改變。示例性的 適用作預(yù)應(yīng)變聚合物的材料包括硅酮彈性體、丙烯酸彈性體、聚氨酯、 熱塑性彈性體、包含PVDF的共聚物、壓敏粘合劑、含氟彈性體、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 含硅酮彈性體和丙烯酸彈性體的聚合物混合物，等)。
用作電活性聚合物的材料可以根據(jù)材料性質(zhì)選擇，所述性質(zhì)例如高 電擊穿強(qiáng)度、低彈性模量(例如用于大的或小的變形)、高介電常數(shù)等。 在一種實(shí)施方案中，該聚合物的選擇可以使得其具有小于或等于約100
MPa的彈性模量。在另一實(shí)施方案中，該聚合物的選擇可以使得其具有 纟勺0.05 3L巾白(MPa) ~纟々10MPa(或者更凈爭(zhēng)另'U也，纟々0.3MPa ~纟々3MPa) 的最大激勵(lì)壓力。在另一實(shí)施方案中，該聚合物的選擇可以使得其具有 約2~約20 (或者更#別地，約2.5~約12)的介電常數(shù)。本發(fā)明并不 旨在限定到這些范圍。理想地，如果材料具有高介電常數(shù)和高介電強(qiáng)度， 那么具有高于上述給出范圍的介電常數(shù)的所述材料會(huì)是合意的。在很多 情況中，電活性聚合物可以制造和實(shí)施為薄膜形式，例如具有小于或等 于約50微米的厚度。
由于電活性聚合物可以在高應(yīng)變下偏轉(zhuǎn)，因此與該聚合物連接的電 極也應(yīng)當(dāng)偏轉(zhuǎn)，而不會(huì)損害機(jī)械或電性能。通常，適用的電極可以具有 任何形狀和材料，只要其能夠?yàn)殡娀钚跃酆衔锾峁┻m合的電壓或者接收 來自其的適合電壓。該電壓可以是恒定的或隨時(shí)間改變的。在一種實(shí)施 方案中，該電極與該聚合物的表面粘合。與該聚合物粘合的電極可以是 順應(yīng)性的(compliant)并和該聚合物的變〗t中的形狀共形。該電才及可以 僅施加到電活性聚合物的一部分，并依照其幾何形狀限定活性區(qū)域。各 種類型的電極包括包含金屬跡線和電荷分布層的結(jié)構(gòu)化電極、包含不同 的面外尺寸(out of plane dimension)的織構(gòu)化電極、導(dǎo)電油脂(例如石友 油脂和銀油脂)、膠狀懸浮液、高縱橫比的導(dǎo)電材料(例如碳纖維和碳 納米管，和離子傳導(dǎo)性材料的混合物)以及包含前述至少一種的組合。
示例性的電極材料可以包括石墨、碳黑、膠狀懸浮液、金屬(包括 銀和金)、充填凝膠和聚合物(例如銀充填和碳充填的凝膠和聚合物)、 和離子或電傳導(dǎo)性聚合物，以及包含前述至少一種的組合。應(yīng)當(dāng)理解某 些電極材料可能適用于特定的聚合物而可能不適用于其他聚合物。舉例 而言，碳纖維適用于丙烯酸彈性體聚合物，而不適用于硅酮聚合物。
磁致伸縮材料是當(dāng)受到外加磁場(chǎng)時(shí)具有大機(jī)械變形的固體。該磁致 伸縮現(xiàn)象歸因于該材料中小磁疇的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)該材料未暴露于磁場(chǎng)時(shí)所述 磁疇是無規(guī)取向的。該形狀改變?cè)阼F磁體或鐵磁性固體中是最大的。這 些材料具有非?？斓捻憫?yīng)能力，其應(yīng)變與施加磁場(chǎng)的強(qiáng)度成比例， 一旦 將場(chǎng)去除，其就恢復(fù)到其最初尺寸。然而，這些材料具有約0.1 約0.2%的最大應(yīng)變。
該說明書使用實(shí)施例來描述本發(fā)明，包括最佳模式，同時(shí)用于使本 領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。本發(fā)明的可專利性范圍由權(quán)利 要求限定，可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他實(shí)施例。如果這些其他 實(shí)施例具有與權(quán)利要求的文字語言沒有區(qū)別的結(jié)構(gòu)元素，或者如果其包 括與權(quán)利要求的文字語言無實(shí)質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元素，那么這種其他 實(shí)施例也意于在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于選擇性控制和改變表面紋理的裝置，包括具有至少一個(gè)表面的物體；和與該至少一個(gè)表面操作連接的活性材料，其中該活性材料經(jīng)構(gòu)造以一旦接收到激活信號(hào)就發(fā)生性質(zhì)的改變，其中該性質(zhì)的改變有效地改變了該至少一個(gè)表面的紋理。
2. 權(quán)利要求1的裝置，其中該活性材料包括形狀記憶聚合物、形狀 記憶合金、鐵磁性形狀記憶合金、電活性聚合物、壓電材料、磁流變彈 性體、電流變彈性體、電致伸縮材料、磁致伸縮材料或包含前述活性材 料中至少一種的組合。
3. 權(quán)利要求l的裝置，其中該性質(zhì)的改變包括尺寸改變、形狀改變、 取向改變、撓曲模量改變、彈性模量改變或包含前述性質(zhì)中至少一種的 組合。
4. 權(quán)利要求l的裝置，其中該激活信號(hào)包括熱激活信號(hào)、電激活信 號(hào)、磁激活信號(hào)、化學(xué)激活信號(hào)、機(jī)械負(fù)載或包含前述激活信號(hào)中至少 一種的組合。
5. 權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包含經(jīng)構(gòu)造以為該活性材料提供該激 活信號(hào)的活化裝置。
6. 權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地改變 了橫跨該表面的氣流邊界層。
7. 權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地改變 了該表面和接觸物體之間的摩擦系數(shù)。
8. 權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地提供 了觸覺信號(hào)。
9. 權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地降低 了在該至少 一 個(gè)表面上的流體流動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。
10. 權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地降 j氐了該至少一個(gè)表面上的眩光。
11. 權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地散 射并由此降低該至少一個(gè)表面反射的聲音。
12. 權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地從 該至少一個(gè)表面上分離和去除了涂層、沉積物、污染物和包含前述至少一種的組合。
13. 權(quán)利要求l的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地指 示了該至少一個(gè)表面對(duì)選自溫度和磁場(chǎng)中的一種和兩種超出預(yù)設(shè)水平的暴露。
14. 權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地降 低了該至少 一個(gè)表面和第二表面之間的接觸以允許氣體和/或液體流過 該至少一個(gè)表面和第二表面之間的界面。
15. 權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個(gè)表面的紋理改變有效地改 變了該至少一個(gè)表面的視覺外觀，其中該視覺外觀的改變是在光潔表面 和粗糙表面之間的轉(zhuǎn)變、紋理化圖案的誘發(fā)，以及包含前述至少一種的 組合。
16. 權(quán)利要求1的裝置，其中該物體進(jìn)一步包括包含活性材料的 第一層，其中該第一層經(jīng)構(gòu)造以在該活性材料發(fā)生性質(zhì)改變時(shí)從第一厚 度改變?yōu)榈诙穸?，其中該厚度的改變有效地提高?或降低了表面紋理。
17. 用于選擇性控制和改變表面紋理的方法，包括 提供具有至少一個(gè)表面的物體和經(jīng)構(gòu)造以一旦接受到激活信號(hào)就會(huì)發(fā)生性質(zhì)改變的活性材料，其中該性質(zhì)改變有效地改變了該至少 一 個(gè) 表面的紋理；和對(duì)活性材料施加激活信號(hào)和造成該活性材料的性質(zhì)改變，其中該活 性材料與該至少一個(gè)表面操作連接，并隨著活性材料的性質(zhì)改變使該至 少一個(gè)表面紋理化。
18. 權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括停止所述激活信號(hào)并逆轉(zhuǎn)所 述至少 一 個(gè)表面的紋理的所述變化。
19. 權(quán)利要求16的方法，其中該活性材料包括形狀記憶聚合物、形 狀記憶合金、鐵磁性形狀記憶合金、電活性聚合物、壓電材料、磁流變 彈性體、電流變彈性體、電致伸縮材料、磁致伸縮材料或包含前述活性 材料中至少一種的組合。
20. 權(quán)利要求16的方法，其中該性質(zhì)的改變包括尺寸改變、形狀改 變、取向改變、撓曲模量改變、彈性模量改變或包含前述性質(zhì)中至少一 種的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于改變表面紋理和摩擦力水平的活性材料基物體，尤其涉及用于選擇性控制和改變表面紋理的裝置包括具有至少一個(gè)表面的物體，和與該至少一個(gè)表面操作連接的活性材料，其中該活性材料經(jīng)構(gòu)造以一旦接收到激活信號(hào)就會(huì)發(fā)生性質(zhì)的改變，其中該性質(zhì)的改變有效地改變了該至少一個(gè)表面的紋理。
文檔編號(hào)F16D13/64GK101368663SQ200810145679
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月16日
發(fā)明者A·C·基夫, A·L·布勞恩, C·P·亨利, G·A·埃雷拉, G·P·麥克奈特, N·D·曼凱姆, N·K·布克諾爾, N·L·約翰遜, W·巴沃薩-卡特 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司