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双程形状记忆自组装 齿轮的复合结构及其实现方法

阅读：944发布：2020-05-18

专利汇可以提供双程形状记忆自组装齿轮的复合结构及其实现方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了属于微机械制造领域的一种可实现双程形状记忆自组装齿轮的方法，实现光滑结构和齿轮结构的双向可逆自组装形状转变。该复合结构是由内层低转变温度的形状记忆聚合物圆柱体芯和外层高转变温度的形状记忆聚合物薄膜构成，通过形状记忆聚合物圆柱体芯和外层薄膜不同转变温度(即形状记忆转变点不同)实现加热过程中该复合结构“光滑结构→齿轮状结构→光滑结构”的双程可逆形状转变，通过改变改变圆柱体芯和外层薄膜参数比值调节其齿轮参数，利用圆台芯体结构实现异形齿轮自组装。该方法可以实现复杂微小齿轮自动生成，无需机械加工，在微机械领域具有重要应用前景，而且实现了传统单一形状记忆聚合物不具有的双向形状记忆功能。，下面是双程形状记忆自组装齿轮的复合结构及其实现方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种可实现双程形状记忆自组装齿轮的复合结构，其特征在于：该复合结构是由内层的形状记忆聚合物芯体和外层的形状记忆聚合物薄膜构成，形状记忆聚合物芯体和形状记忆聚合物薄膜的形状记忆转变温度分别为Tg1和Tg2，且Tg1＜Tg2。
2.根据权利要求所述的复合结构，其特征在于：该复合结构初始外形为光滑的圆柱体或圆台。
3.权利要求1～2所述复合结构实现双程形状记忆自组装齿轮的方法，其特征在于：
该方法包括如下步骤：
1)在环境温度T＞Tg2条件下，对该复合结构施加初始轴向压缩变形；
2)保持该变形，降温至T＜Tg1，实现初始变形的形状冻结；
3)加热至Tg1＜T＜Tg2，形状记忆聚合物芯体恢复变形，外层形状记忆聚合物薄膜受压屈曲，形成齿轮状结构；
4)加热至T＞Tg2，形状记忆聚合物薄膜也发生形状恢复变形，该复合结构重新恢复至初始光滑外形。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述形状记忆聚合物芯体由E-51型环氧树脂和DDM固化剂制备得到。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：E-51型环氧树脂和DDM固化剂的重量比为100∶17。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述形状记忆聚合物薄膜由E-51型环氧树脂、DDM固化剂和m-PDA固化剂制备得到。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：E-51型环氧树脂、DDM固化剂和m-PDA固化剂的重量比为100∶9∶4。

说明书全文

双程形状记忆自组装 齿轮的复合结构及其实现方法

技术领域

[0001] 本发明属于微机械制造技术领域，涉及一种可实现双程形状记忆功能的聚合物复合结构及自组装齿轮实现方法。

背景技术

[0002] 形状记忆聚合物是继形状记忆合金和陶瓷之后人类发现的又一类新型形状记忆功能材料。其一般为两相结构，即由记忆初始形状的固定相和随温度发生改变的可逆相组成。使用中一般首先在可逆相软化温度以上对已具有一定初始构形的材料施加约束，使其达到预期形变，然后降温至可逆相临界软化温度以下，可逆相冻结，此时即使外力去除材料仍能基本保持这种“临时”变形状态；当再次升温至材料软化温度以上时，内部冻结解除，在内应力作用下材料又回复到初始变形前状态。至此，完成了“记忆初始态→固定变形态→回复初始态”的热力学循环过程。

[0003] 该类功能材料具有制造成本低、易生产、形状转变温度可调、部分具有生物降解性等诸多优点，在生物医疗、航天科技及微电子等领域具有重要应用前景。但通常形状记忆聚合物只具有单程形状记忆功能，即只可以实现从形状固定态到初始态的单向变化，无法实现可逆转变。本申请专利“双程形状记忆自组装齿轮”可以实现光滑圆柱体和齿轮状结构的双向可逆变化，而且通过控制其热力学过程和结构性能，可以实现齿轮参数的连续变化和异形结构齿轮的自组装生成，无需机械加工，这在未来微机械制造领域具有重要应用前景。

发明内容

[0004] 本发明提出一种双程形状记忆齿轮的自组装生成方法，无需机械加工。该复合结构通过特定热力学过程，可实现光滑圆柱体和齿轮结构的双向自组装形状转变。该自组装齿轮具有双程形状记忆功能、齿轮参数连续可调等特征。

[0005] 一种可实现双程形状记忆自组装齿轮的复合结构，该复合结构是由内层的形状记忆聚合物芯体和外层的形状记忆聚合物薄膜构成，形状记忆聚合物芯体和形状记忆聚合物薄膜的形状记忆转变温度分别为Tg1和Tg2，且Tg1＜Tg2。该复合结构初始外形为光滑的圆柱体或圆台。

[0006] 所述复合结构实现双程形状记忆自组装齿轮的方法，该方法包括步骤如下：

[0007] 1)在环境温度T＞Tg2条件下，对该复合结构施加初始轴向压缩变形；

[0008] 2)保持该变形，降温至T＜Tg1，实现初始变形的形状冻结，然后去除施加的外力；

[0009] 3)加热至Tg1＜T＜Tg2，形状记忆聚合物芯体恢复变形，外层形状记忆聚合物薄膜受压屈曲，形成齿轮状结构；

[0010] 4)加热至T＞Tg2，外层形状记忆聚合物薄膜也发生形状恢复变形，该复合结构重新恢复至初始光滑外形，从而实现结构完成“光滑结构→齿轮状结构→光滑结构”的双向可逆形状转变；

[0011] 通过改变改变芯体和外层薄膜的几何和物理(例如模量比、泊松比)参数比值调节其齿轮参数；圆台芯体结构可实现异形齿轮结构生成。

[0012] 形状记忆聚合物转变温度一般在室温至100℃左右，并可通过改变材料交联密度进行调节，从而利用该复合结构满足工程实际需要。

[0013] 本发明的有益效果：

[0014] 1、在微机械制造领域，往往很难采用传统机械方法制造微小齿轮，特别是齿距很密的微小深齿轮，以及一些异形齿轮结构(如齿距连续变化、螺旋斜齿轮等)。本发明提出一种机械自组装方法，无需机械加工，结构可自动形成光滑结构——复杂齿轮结构的双向可逆转变，这在微机械领域具有重要意义。

[0015] 2、传统形状记忆聚合物只具有单向形状记忆功能，本发明介绍一种物理复合方法，可实现双程形状记忆功能，这对促进形状记忆聚合物作为传感和激励元件的更广泛应用具有促进意义。附图说明

[0016] 图1双程形状记忆自组装直齿轮变形过程示意图。

[0017] 图2齿轮幅值与温度之间的关系：I、III阶段为光滑圆柱体，II阶段为齿轮状结构。

[0018] 图3双程形状记忆自组装斜齿轮变形过程示意图。

具体实施方式

[0019] 以附图为实施方式对本发明作进一步说明：

[0020] 实施例1

[0021] 附图1双程形状记忆自组装直齿轮变形过程示意图。复合结构是由内层低转变温度(Tg1)的形状记忆聚合物圆柱体芯和外层高转变温度(Tg2)的形状记忆聚合物薄膜构成，形状记忆聚合物圆柱体芯的横截面半径为10mm，高度为20mm，形状记忆聚合物薄膜的厚度为0.5mm，如图所示，该复合结构实现双程形状记忆自组装直齿轮的热力学过程包括如下4步：(a)在T＞Tg2高温下对该复合圆柱体进行轴向压缩加载，由于这时环境温度高于材料形状记忆转变温度，结构处于橡胶态，可以实现较大的压缩变形；(b)保持该变形，降温至T＜Tg1，这时内层圆柱体芯和外层膜均处于玻璃态，结构冻结，即使去除外力结构仍能保持该临时变形态；(c)加热至Tg1＜T＜Tg2，这时形状记忆圆柱体芯发生收缩恢复变形，但外层形状记忆聚合物薄膜仍处于冻结态，这种不匹配变形造成外层形状记忆聚合物薄膜受压屈曲，齿轮状结构形成；(d)继续加热至T＞Tg2，外层膜也发生形状恢复变形，该复合结构重新恢复至初始光滑圆柱体外形，实现结构完成“光滑圆柱体→齿轮状结构→光滑圆柱体”的双向可逆形状转变。

[0022] 图2为根据实际材料计算得到的该类复合结构齿轮幅值随温度的变化情况。其中内层形状记忆聚合物圆柱体芯是由E-51型环氧树脂和DDM固化剂按重量比100∶17制备得到，外层形状记忆聚合物薄膜是由E-51型环氧树脂和DDM、m-PDA两种固化剂按重量比100∶9∶4制备得到。图中I(对应步骤b)、III(对应步骤a、d)阶段齿轮幅值为零，说明在该温度范围内结构保持光滑圆柱体外形；II(对应步骤c)阶段幅值不为零，结构保持齿轮形貌，而且在这过程中齿深随着温度发生连续变化。

[0023] 实施例2

[0024] 附图3为双程形状记忆自组装斜齿轮变形过程示意图。其热力学过程类似于实施例1，唯一不同的是其内层芯为圆台结构，利用该复合结构，可以实现齿距连续变化的双程形状记忆自组装斜齿轮。

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