带有光纤珠状涂层的镍钛形状记忆合金驱动器的热羽流与热力特性

《Sensors and Actuators A: Physical》：Thermal-plume and thermo-mechanical characteristics of nitinol SMA actuators with bead-on-fiber coating

　　

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  研究了形状记忆合金执行器的热力学行为。
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  采用了纹影成像、红外热成像和激光位移传感器。
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  系统地研究了SMA线径和浸涂的影响。
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  执行器频率随SMA线径减小和聚合物涂层增加而提高。
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  归一化羽流宽度和高度呈指数关系，与线径无关。

引言

形状记忆合金（SMA）是一类以高能量密度、形状记忆效应和超弹性而闻名的智能材料。凭借其独特特性，SMA已被广泛应用于开发线性和旋转执行器，能够相对于可恢复应变产生高驱动力。紧凑的尺寸、轻量级和高力重比使SMA执行器尤其适用于空间受限和重量敏感的应用，包括航空航天、生物医学设备、机器人和自适应工程系统[1]，[2]，[3]，[4]。尽管具有这些优势，SMA执行器的实际应用往往受到相对较低的执行频率的限制，这主要归因于焦耳加热后的缓慢冷却过程。电阻加热因其简单性、紧凑性和易于控制而被广泛采用[5]，[6]。人们提出了多种方法来加速加热过程，包括基于电容器的电路[7]和高电流脉冲激励[8]。然而，冷却阶段仍然是限制SMA执行器循环工作频率的速率控制过程。因此，改善散热是开发高速、节能SMA执行系统的主要目标之一。为了提高冷却性能，人们探索了多种热管理策略，包括自然空气对流[9]，[10]、液体冷却[11]，[12]、强制空气冷却和蒸发冷却[13]，[14]，[15]、喷淋冷却[16]、几何结构修改[17]和磁热辅助冷却[18]。

各种涂层材料和表面工程方法已被开发用于调节SMA线的功能性能。Akash等人[19]研究了沉积在Kapton聚酰亚胺基板上的基于铜的SMA执行器以提高执行性能。Boccaccini等人[20]利用电泳沉积（EPD）在SMA线上制备了PEEK和PEEK/Bioglass涂层以改善生物医学性能。Marashi等人[21]开发了聚多巴胺功能化PPy/BaTiO₃涂层涂覆在SMA上以增强耐腐蚀性。Samal等人[22]制备了PMMA涂层SMA复合材料，并展示了由于PMMA和SMA之间热膨胀系数不匹配而产生的热致弯曲执行。Perez等人[23]展示了PDMS/碳纳米粉涂层作为高效光热层，增强了红外光吸收和产热，使SMA合金在较低的光功率下达到相变温度，并改善了其光驱动执行性能。在可用的表面改性技术中，浸涂提供了一种简单、可扩展且经济的方法来改性SMA线表面[24]，[25]，[26]，[27]。

人们提出了多种多线执行器架构以提高执行力。Britz等人[28]开发了由多根线组成的并联束SMA执行器，在紧凑的约束构型中运行以实现更高的力输出。Barakat等人[29]提出了一种拮抗多线SMA执行器，能够实现高频双向旋转运动。Chaurasiya等人[30]引入了一种仿生双羽状SMA执行器，通过分层线排列减轻了执行器重量同时增强了力放大。这些研究侧重于执行器架构、力产生和系统集成。相对较少关注自然对流条件下焦耳加热SMA线周围瞬态热羽流的发展。

加热圆柱体和线周围的自然对流已被广泛研究，因为它在热管理、电子冷却和能源系统中具有重要意义。加热表面与周围流体之间的温差产生浮力，导致热羽流的形成。纹影可视化已成为一种强大的非侵入式光学方法，用于捕捉与温度引起的密度梯度相关的折射率变化。Fossa等人[31]展示了纹影技术在研究加热表面周围自然对流羽流演化中的应用。Gebhart等人[32]全面描述了控制浮力驱动对流的传输机制，包括羽流发展和热边界层生长。最近，背景取向纹影技术实现了浮力驱动流中密度梯度和热羽流的定量可视化[33]，[34]。这些技术已成功应用于表征加热圆柱体和平板周围的羽流演化、尾流动力学和自然对流传热[35]，[36]，[37]。

需要注意的是，SMA线执行涉及加热和冷却循环，与加热线配置相反。这种浮力驱动流特性直接影响局部对流换热系数的时间演化和尾流动力学，从而限制SMA执行器的冷却速率和循环工作频率。在多线SMA执行器阵列中，理解羽流演化也很重要，这些阵列通常用于实现更高的执行力或推力。上述文献综述表明，聚合物涂层SMA执行器已被用于研究不匹配驱动的热力学弯曲和光热执行。然而，聚合物涂层和裸露SMA执行器的热羽流发展和热力学行为在很大程度上仍未被探索。特别是，瞬态热羽流演化、浮力驱动传热和SMA执行器的热力学性能之间的关系尚未在文献中研究。聚合物涂层对焦耳加热SMA线瞬态热响应和冷却行为的影响，以及由此产生的热羽流发展和执行频率，在文献中也受到有限的关注。因此，本研究利用定量纹影技术对焦耳加热SMA线执行器的耦合热流体和热力学行为进行了全面的实验研究。在多线构型中，相邻线产生的热羽流可能会相互作用，改变局部温度场并降低对流冷却效率。因此，相邻SMA线之间的间距也必须考虑羽流膨胀和相邻线之间的热干扰。因此，瞬态热羽流演化的定量表征为优化执行器间距、最小化热串扰以及改善多线SMA执行器阵列的动态性能和能效提供了科学依据。

在本研究中，研究了直径为100、150、200和300 μm的SMA线，以阐明线径在3-7V施加电压范围内的热羽流演化、浮力驱动流和自然对流传热中的影响。报告了执行器的热和力学响应，包括纹影强度分布、温度演化、位移、应变、传热系数和热力学效率结果。此外，将具有束上纤维形态的浸涂SMA线与其未涂层对应物进行比较，以检查涂层和表面形貌对瞬态羽流发展、尾流动力学、传热和执行器频率响应的影响。建立的羽流特征与执行器性能之间的相关性增强了对于控制SMA执行的耦合热流体机制的理解，对SMA执行器的设计非常有用。

章节摘要

方法

本节描述了用于SMA线执行、聚合物浸涂和纹影流可视化的实验装置。随后，介绍了数据分析程序，包括图像处理、羽流参数量化和对流换热系数的计算过程。

结果与讨论

本节讨论了SMA线的传热和执行器特性随加热速率、线径和涂层的变化。

结论

本研究调查了SMA执行器的热力学行为。使用纹影技术可视化热羽流，红外热成像用于测量SMA线的温度，位移传感器用于测量执行器的应变。在SMA线上进行聚合物涂层以研究其对执行器特性的影响。线径对热羽流演化、传热特性和执行器

CRediT作者贡献声明

Raushan Kumar：撰写—原稿，可视化，验证，方法学，形式化分析。Bal Krishan Mishra：撰写—审阅与编辑，验证，资源，方法学，形式化分析。Pradipta Kumar Panigrahi：撰写—原稿，可视化，验证，方法学，形式化分析。Bijaya Bikram Samal：撰写—审阅与编辑，可视化，验证，方法学，形式化分析。Ankur Dwivedi：撰写—审阅与编辑，方法学，形式化分析。Bishakh

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致谢

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