现在参照附图，其是示例性实施方案且其中类似的元件的附图标记 相似：
图1是处于第一构造的能量吸收组件的示意性图示；
图2是处于膨胀构造的能量吸收组件的示意性图示；
图3是处于被碰撞构造的能量吸收组件的示意性图示；
图4是阐述适于采用能量吸收组件的各种支撑结构的车辆的侧透视 图；
图5阐述了基于菱形的蜂窝状网格的各种排列；和
图6阐述了基于各种增大性(auxetic)单元格几何形状的蜂窝状网 格。
详述
本文中公开了用于车辆内部冲击管理的可逆能量吸收组件，其可以 迅速展开到膨胀构造，从而吸收伴随乘客撞向内表面的动能。有利地， 所述能量吸收组件是可逆的，并利用基于形状记忆材料的蜂窝状网格， 所述形状记忆材料在膨胀构造中发生塑性变形，从而提供冲击能量的吸 收。在展开之后，该能量吸收组件可以通过热激活形状记忆材料而恢复 其展开之前的构造。合适的形状记忆材料包括：形状记忆合金(SMA)、 形状记忆聚合物(SMP)或者包括至少一种上述材料的组合。尽管这些 装置被展示为主要用于车辆内部，但是也可以理解的是，这些装置也可 以被施加到车辆外部，例如针对行人碰撞的车蓬或减震器，施加到其它 个体防护装置，例如头盔、防护衣、护膝等，以及施加到摩托车的座位 和把手、全地形车辆、自行车等。
如在本文中使用，术语“第一”、“第二”等不是表示任何顺序或 者重要性，而是用于将一个元件与另一个区分开来，术语“所述”、“某 (a)”、“某个(an)”不是表示对数量的限制，而是表示存在至少一 个所引用的物项。此外，在本文中所公开的所有范围都包括端点并可独 立组合。
如图1-3所示，示例性可逆能量吸收组件，概括地用10表示，包括 连接到刚性支撑结构14的柔性覆盖物12。该柔性覆盖物12和刚性支撑 结构14限定了可膨胀内部区域16。基于形状记忆材料的蜂窝状网格20 设置在可膨胀内部区域16内。所述刚性支撑结构14包括进入口22和 与所述进入口22流体连通的流体源26。进入口22与可膨胀内部区域16 流体连通，使得任何引入进入口22的流体导致内部区域16和蜂窝状网 格20均从第一构造(图1)膨胀到膨胀构造(图2)。在本文中，使用 术语“流体”是为了方便起见，并通常是指任何液体、溶液、悬浮液、 气体、或者包括上述至少一种的组合。刚性支撑结构14可以进一步包 括用于从可膨胀内部区域16释放流体的排出口24，例如在内部区域16 从膨胀构造(图2)或者被碰撞构造(图3)到第一构造(图1)的体积 减少时。或者，所述柔性覆盖物12是足够多孔的，从而使得流体引入 和内部区域16膨胀可以导致压力释放。或者，进入口22和排出口24 分别与阀28和30连接，用于选择性引入流体到内部区域16和从内部 区域16排出流体。
对于碰撞能量管理而言，优选膨胀时间相对迅速。也就是说，流体 源应当伴随地导致包括蜂窝状网格20的内部区域16的迅速膨胀和柔性 覆盖物12的向外膨胀。在一个实施方案中，所述能量吸收组件被配置 以在和车辆碰撞传感器一起使用时在大约50毫秒(msec)或者更短时 间内从第一构造(图1)完全膨胀到膨胀构造(图2)。在另一实施方 案中，例如和碰撞前传感器组合时，该能量吸收组件被配置以在大约200 毫秒(msec)或者更短时间内从第一构造(图1)完全膨胀到膨胀构造 (图2)。在一个实施方案中，所述能量吸收组件被配置以提供大于50 ％的体积膨胀。在其它实施方案中，所述能量吸收组件被配置以提供大 于200％的体积膨胀。
所述能量吸收组件10进一步包括与流体源26和任选的阀28和30 可操作连接的传感器32和控制器34，从而响应由传感器32向控制器34 提供的激活信号选择性膨胀内部区域16。在一个实施方案中，所述传感 器32和控制器34还与形状记忆材料可操作连接，从而响应由传感器32 向控制器34提供的激活信号选择性膨胀和收缩蜂窝状网格20。备选 地，不同的传感器(未示出)和/或不同的控制器(未示出)与形状记忆 材料可操作地连通，从而响应所提供的激活信号而选择性膨胀和收缩蜂 窝状网格20。
所述传感器32可以被配置以向控制器34提供碰撞前或者碰撞信 息，所述控制器34继而在由算法等预先编程条件下启动能量吸收组件 10，第一构造(图1)。以这种方式，组件10可以被用于预期或者响应 例如与物体碰撞的事件，并提供对由于碰撞引起的与车辆内乘客相关的 动能的吸收。在没有实现随后的碰撞的事件中，或者碰撞事件后，所述 能量吸收组件10可通过激活形状记忆材料从而收缩蜂窝状网格20，和/ 或通过打开排出口24和阀30以从内部区域排出流体从而回复到第一构 造(图1)。所阐述的能量吸收组件10仅是示例性的，并且不意在被限 制到任何特定形状、尺寸、或构造等。
在一个实施方案中，柔性覆盖物12的至少一部分(例如直接和刚 性支撑结构啮合的部分)由相对于组件膨胀极限呈弹性(柔性)的材料 制备，使得其可以回到其初始几何形状。或者，整个柔性覆盖物12可 以由为弹性(柔性)的材料制备。合适的柔性材料包括弹性体例如苯乙 烯丁二烯橡胶、聚氨酯、聚异戊二烯、氯丁橡胶、和氯磺酸化的聚苯乙 烯等。其它适合用于柔性覆盖物12的材料在参阅本公开内容之后对于 本领域技术人员是显而易见的。理想地，针对所述柔性覆盖物选择的材 料适应至少大约50％的可逆应变，大约200％-大约400％的应变是更 合适的。所述柔性覆盖物12可以被装饰性图案化，或者，任选地，外 部装饰性覆盖物(未示出)可以滑动啮合形式配备于柔性覆盖物12上， 例如可拉伸的织物等。
所述刚性支撑结构14优选是针对车辆内表面的固定支撑物。刚性 支撑结构14可以是车辆的一体化构件或者可以连接到车辆的一体化构 件上。图4阐述了能量吸收组件10在车辆环境中的各种使用或位置。 能量吸收组件10可以用于替换车辆50中的任何常规带衬垫内表面的至 少一部分或者乘客和/或货物可能需要保护的任何位置。例如，能量吸收 组件10可以用于门柱52、车顶54、门内衬56、仪表板58、遮光板、 扶手、膝挡板60、和其它区域例如地毯下车辆地板62之上、在座位的 头枕64、座位66本身、座椅靠背68、载货区(未示出)、货车用床、 或者需要吸收由物体与该表面碰撞引起的动能和/或需要在碰撞期间适 当定位乘客的类似表面。例如，将能量吸收组件10置于地毯之下可以 用于协助乘客的膝盖相对于膝挡板定位。在座椅区域，能量吸收组件可 以被战略定位，以提供座椅66边缘的强化(stiffening)，从而提供抗下 沉性质和阻止乘客在碰撞事件中向前滑动。在车辆的其它区域，例如门 柱、车顶纵梁、中央托架(console)、载货区、货车用床或者方向盘， 可以在碰撞事件中向乘客/货物提供能量吸收性质，由此降低与对乘客的 碰撞相关的力。
任选地，由柔性覆盖物12和刚性结构14所提供的可膨胀内部区域 16可以包括多个密封分隔间，其中各密封分隔间包括与上述气体源相连 通的流体入口以及设置在其中的基于形状记忆材料的蜂窝状网格。以这 种方式，所述系统有利地提供冗余度，由此防止了由于内部区域之一的 刺穿、阀门故障、阻塞、疲劳相关失效和其它类似失效引起的整个系统 失效。
基于形状记忆材料的蜂窝状网格20可以包括采用各种平面构造的 单元格。在一个实施方案中，如图1-3所示，蜂窝状网格20可以包括平 面六角形单元格70。在其它实施方案中，所述蜂窝状网格20具有菱形 单元格72，其可以成层堆叠，所述层是彼此交错排列或者非交错排列 的，和/或是平行或者非平行的。在图5中举例说明了各种菱形单元格 72排列中的一部分。在其它实施方案中，所述单元格具有增大性的几何 形状。如在本文中使用，术语“增大性的”是指那些泊松比(横向收缩 应变对纵向伸长应变的比)为负值的几何形状。合适的增大性的几何形 状包括箭头状74、蝶形领结状76、砧骨状78、狗骨状80、乳头状82、 磨损的狗骨状84、包括上述几何形状的至少一种的杂和式86，或者包 括上述几何形状的至少一种的扭曲几何形状88，并且其可以成层堆叠， 所述层是彼此交错排列或者非交错排列的，和/或是平行或者非平行的。 在图6中举例说明了各种增大性几何形状排列中的一部分。理想地，当 响应热激活从第一构造膨胀和/或从膨胀或者被碰撞构造收缩时，所述蜂 窝状网格20的横截面的移动是基本平面的而非三维的。
在一个实施方案中，所述蜂窝状网格20包括形状记忆材料。或者， 所述蜂窝状网格20基本上由形状记忆材料构成。如前所述，合适的形 状记忆材料包括SMA和SMP。
合适的SMA可以显示出单向形状记忆效果、固有双向效果或者非 固有的双向形状记忆效果，具体取决于合金组成和加工历史。存在于 SMA中的两个相通常被称为马氏体相和奥氏体相。马氏体相是形状记忆 合金相对较软的和易于变形的相，其通常在较低温度存在。奥氏体相， 也即形状记忆合金的较坚固相，在较高温度下存在。由表现出单向形状 记忆效果的SMA组合物形成的形状记忆材料不会自动恢复形状 (reform)，取决于形状记忆材料设计，往往可能将要求外部机械力来 恢复先前表现出的形状取向。表现出固有形状记忆效果的形状记忆材料 由会自动自身恢复形状的SMA组合物制造。
SMA在加热时记住其高温形状的温度可以通过轻微改变合金组成 和通过热处理进行调节。例如，在镍-钛SMA中，该温度可以在高于大 约100℃至低于大约-100℃变化。形状恢复过程在仅仅几度范围内发 生，且变形的开始或结束可以被控制在1度或者2度之内，具体取决于 所需应用和合金组成。SMA的机械性质在跨越其转变的温度范围内变化 极大，典型地赋予形状记忆材料以形状记忆效果和高减震能力。SMA 的固有高减震能力可以用于进一步增加能量吸收性质。
合适的SMA组合物包括，但不限于：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-铂基合金、铁-钯基合金等。所述合金可以是二 元的、三元的或者更高级数，只要该合金组合物表现出形状记忆效果即 可，例如改变形状取向、减震能力等。例如，镍-钛基合金可由Shape Memory Application，Inc公司以商标NITINOL购得。
其它合适的活性材料是SMP。类似于SMA的行为，当温度升高通 过其转变温度时，SMP也发生形状取向变化。为了固定SMP的永久形 状，所述聚合物必须处于大约或者高于所述聚合物硬链段的Tg或者熔 点。“链段”是指形成部分SMP的聚合物的嵌段或者序列。所述SMP 在所述温度下借助所施加的力成形，继之以冷却来固定所述永久形状。 固定永久形状所需的温度优选为大约100℃-大约300℃。固定SMP的临 时形状需要将SMP材料的温度达到软链段的Tg或者转变温度或者以 上，但是低于硬链段的Tg或者熔点。在软链段转变温度(也称为“第 一转变温度”)，SMP的临时形状被固定，继之以冷却而锁定该临时形 状。只要保持在软链段转变温度以下，所述临时形状就得以保持。当让 SMP纤维再次达到或者超过软链段的转变温度时，就回到永久形状。重 复加热、成形和冷却步骤，可以重新固定临时形状。可以通过改变聚合 物的结构和组成而针对特定应用选择软链段转变温度。软链段的转变温 度为大约-63℃至大于大约120℃。
SMP可以含有多于两个转变温度。含有一种硬链段和两种软链段的 SMP组合物可以具有三个转变温度：针对硬链段的最高转变温度和针对 每种软链段的转变温度。
大多数SMP显示出“单向”效果，其中SMP显示出一种永久形状。 一旦将SMP加热到超过第一转变温度，就实现了永久形状，和在不使 用外力情况下，该形状不会回复到临时形状。作为备选方案，一些SMP 组合物可以被制备成显示出“双向”效果。这些系统由至少两种聚合物 组分组成。例如，一种组分可以是第一交联聚合物，而另一组分是不同 的交联聚合物。所述组分可以通过层技术结合，或者是互穿网络，其中 两种组分是交联的，但不是互相交联的。通过改变温度，SMP以从第一 永久形状至第二永久形状的方向改变其形状。每种永久形状属于SMP 的一种组分。两种永久形状总是处于两种形状间的平衡中。所述形状的 温度依赖性是由于下面事实引起的，也即一种组分(“组分A”)的机 械性质几乎独立于目标温度间隔的温度。另一组分(“组分B”)的机 械性质取决于温度。在一个实施方案中，组分B在低温下比组分A更坚 固，而在高温下组分A更坚固，和决定实际形状。双向记忆装置可以通 过固定组分A的永久形状(“第一永久形状”)；将装置变形为组分B 的永久形状(“第二永久形状”)，和固定组分B的永久形状同时向该 组分施加应力，来制备。
类似于SMA材料，SMP材料可以被设置为许多不同形式和形状。 永久形状恢复所需的温度可以被设定在大约-63℃至大约120℃或者更 高温度之间的任何温度。设计聚合物本身的组成和结构可以允许选择针 对所需应用的特定温度。优选的形状恢复温度大于或者等于大约-30℃， 更优选大于或者等于大约0℃，最优选大于或者等于大约50℃。同样， 优选的形状恢复温度低于或者等于大约120℃，更优选小于或等于大约 90℃，和最优选小于或等于大约70℃。
合适的SMP包括热塑性、热固性、互穿网络、半互穿网络或者混 合网络。这些聚合物可以是单种聚合物或者聚合物的共混物。所述聚合 物可以是直链的或者具有侧链或者树枝状结构单元的支化的热塑性弹 性体。合适的用于形成形状记忆聚合物的聚合物组分包括，但不限于： 聚膦腈、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、聚烯烃、聚丙烯酰胺、聚亚烷基二醇、聚环氧烷、聚对苯 二甲酸亚烷基酯、聚原酸酯、聚乙烯基醚、聚乙烯基酯、聚乙烯基卤化 物、聚酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、 聚醚酯及其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的实例包括聚(甲基丙烯酸甲 酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、 聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(甲基丙烯酸异癸酯)、聚(甲基丙烯酸月桂基 酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸异丙酯)、聚(丙 烯酸异丁酯)和聚(丙烯酸十八烷基酯)。其它合适的聚合物的实例包括聚 苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯基酚、聚乙烯基吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十 八烷基乙烯基醚)乙烯乙酸乙烯基酯、聚乙烯、聚(环氧乙烷)-聚(对苯二 甲酸乙二醇酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚己内酯-聚酰胺(嵌段共聚 物)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片基-多面体低 聚硅倍半氧烷)、聚氯乙烯、氨基甲酸乙酯/丁二烯共聚物、聚氨酯嵌段 共聚物、和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等。
SMP或者SMA可以通过任何合适方式热激活，优选用于使材料经 受在转化温度以上或以下的温度变化的方式。例如，针对升高的温度， 可以使用热气体(例如空气)、水蒸气、热液体、或者电流提供热量。 所述激活方式可以例如是来自与形状记忆材料相接触的加热元件的热 传导形式，来自靠近所述热活性形状记忆材料的加热导管的热对流形 式，热风吹风机或者热空气喷射，微波相互作用、电阻加热等。在温度 下降的情况下，可以通过如下方法提取热量：使用冷风、或者制冷剂的 蒸发。所述激活方式可以例如是冷室或者盒形式、具有冷却尖端的冷却 探针、针对热电单元的控制信号、冷风吹风机或者冷空气喷射机、或者 用于向至少形状记忆材料附近引入制冷剂(例如液氮)的方法。
在一个实施方案中，来自流体源26的流体可以在被引入进入口22 后被连续加热或者冷却，使得在选定时间段之后，在可膨胀内部区域16 中的流体温度适于热激活SMA或SMP，以使得蜂窝状网格20基本上回 到第一构造(图1)。理想地，所选择的时间段使得已经发生了对碰撞 的任何能量吸收(例如至少大约15秒)。在另一实施方案中，所述蜂 窝状网格20可以通过与控制器34和蜂窝状网格20操作连接的电阻加 热器(未示出)热激活。
所述流体可以作为在贮气装置中的气体存储在车辆中，所述贮气装 置例如是压缩气体容器或者来自累加器或者以烟火(pyrotechnically)或 者液压方式产生。或者，所述流体可以是液体并可以注入内部区域16， 导致其膨胀。合适的流体包括惰性气体、空气、水等。优选地，所述流 体不可燃的。所述流体可以在组件膨胀后再充入。例如，可以采用板载 (on-board)压缩器。或者，可以替换流体和/或流体源26或者进行维修 以再充流体。
在操作中，一旦由传感器32检测到碰撞事件或者碰撞事件的迫近， 流体入口压力阀28打开，导致流体流入内部区域16和伴随着柔性覆盖 物12和蜂窝状网格20的膨胀(也即，能量吸收组件10从图1的第一 构造膨胀到图2的膨胀构造)。压力传感器18可以任选地用于监测膨 胀力，并将其反馈到控制器34。膨胀继续，直到在内部区域16中的背 压达到预定压力，此时流入内部区域16中的流体流动中断或者卸压阀 30打开以保持预定压力。在一个实施方案中，所选择的压力为大约20- 大约100磅/平方英寸(psi)，基于传感器输入和其它类型事件输入的 组合，所述其它类型事件输入是例如涉及乘客(儿童对成人)重量、乘 客是否被安全带束缚等等的输入。或者，膨胀可以继续达预定时间，以 提供足够的膨胀。
能量吸收组件10可以被施加到任何其中希望提供伴随着乘客和/或 物体碰撞该支撑结构的动能降低和/或用于恰当的定位乘客的刚性支撑 结构14。这样，该系统是非常多功能的。由于膨胀时间短，这类能量吸 收组件特别适合与这样的碰撞检测系统一起使用，所述碰撞检测系统使 用碰撞检测工具加算法来触发展开(也即类似于常规的气囊限制系统中 使用的那些的系统)。装置从膨胀构造(图2)或者受碰撞构造(图3) 恢复成第一构造(图1)会没有这样的针对快速动作的要求，因此可以 通过形状记忆材料热激活到其永久或者被训练的构造的方式有效地管 理。
尽管本发明已经参照示例性实施方案进行了描述，但是本领域技术 人员将理解的是，可以进行各种改变和可以用等价物替换其要素，而不 偏离本发明的范围。此外，可以进行许多改进以使特定情况或材料和本 公开的教导相适应，而不偏离本发明的实质范围。因此，本公开内容不 应受限于作为实施本公开内容设想的最佳模式而公开的具体实施方 案，本公开内容应包括落入所附的权利要求范围内的所有实施方案。